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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Getriebesensoreinheit und auf ein Schaltgetriebe und insbesondere auf eine Getriebesensoreinheit zur Realisierung winkelgenauer, positionsgeregelter Schaltvorgänge in elektrifizierten Antrieben mit Klauenkupplungen.
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HINTERGRUND
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Für eine Sensierung von Schaltgabelpositionen werden üblicherweise kontaktlose, lineare Positionssensoren eingesetzt, die eine Bearbeitung des Getriebegehäuses erforderlich machen. Für eine Differenzwinkelbestimmung der Klauenkupplung sind bisher keine direkten Sensoren bekannt. Es könnten zwar absolute Drehgeber an der Antriebswelle und der Abtriebswelle eingesetzt werden, über die ein Differenzwinkel berechnet werden kann. Diese sind nachteilig, da sie Schnittstellen zu den Wellen und dem Getriebegehäuse brauchen und somit kostenintensiv sind.
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4 zeigt eine konventionelle Drehsensierung mittels zwei absoluten Drehgebern 510, 520, wobei ein erster Drehgeber 510 eine Winkellage einer ersten Drehwelle 501 und ein zweiter Drehgeber 520 eine Winkellage einer zweiten Drehwelle 502 detektiert. Bei dem gezeigten Schaltgetriebe wird ein Drehmoment vom Drehmotor 500 über die zweite Antriebswelle 502 und wahlweise schaltbaren ersten Kupplungskörpern 530 und zweiten Kupplungskörpern 540 auf die erste Drehwelle 501 übertragen und von dort an ein Rad 550 abgegeben. Zum Schalten zwischen die ersten und dritten Kupplungskörpern 530, 540 ist eine Schaltmuffe 535 vorgesehen, die über axiale Verschiebungen entlang der ersten Drehwelle 501 die Kupplungskörper 530, 540 wahlweise koppelt.
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Die von den Drehgebern 510, 520 ermittelten Drehpositionen können dann ge- nutzt werden, um bei einem Schaltvorgang eine möglichst genaue Zahn-auf-Lücke-Position festzustellen und dann ansprechend auf diese Situation zu schalten. Nachteilig hierbei sind häufig die Temperatur- und Medienverträglichkeiten, die nicht immer mit einer herkömmlicher Sensorik kompatibel sind. Außerdem stellt sich die Montierbarkeit häufig als schwierig dar. Die vorhandenen Sensoren sind schließlich kostenintensiv und benötigen Bearbeitungsschritte an den Wellen bzw. an dem Getriebegehäuse.
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Andererseits werden mehr und mehr elektrifizierte Mehrganggetriebe eingesetzt, wobei zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung Klauenkupplungen anstelle von klassischen Synchronisierungseinheiten zunehmend eingesetzt werden. Die Drehzahlsynchronisierung ist dann aktiv von der E-Maschine (Elektroantrieb) zu leisten.
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Für maximalen Schaltkomfort und eine hohe Zuverlässigkeit besteht ein Bedarf nach einer Differenzwinkelregelung, bei der nicht nur die Differenzdrehzahl, sondern auch der Differenzwinkel eingeregelt wird, sodass sich beim Ein- und Auslegen eines Ganges beide Kupplungspartner (Schaltmuffe und Kupplungskörper) in einer günstigen Stellung (Zahn-auf-Lücke) befinden. In einem solchen Fall kann ein Gangwechsel durchgeführt werden, der ohne spürbaren Ruck und mit geringen Schaltkräften abläuft. Für diese Differenzwinkelregelung sind die relativen Winkellagen der Kupplungskörper in ausreichender Genauigkeit zu ermitteln.
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Daher besteht ein Bedarf nach Getriebesensoreinheiten, die insbesondere für Klauenkupplungen eingesetzt werden können und die die oben genannten Nachteile überwinden.
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Im Stand der Technik ist dazu aus der
DE 10 2009 054 459 A1 eine Klauenschalteinrichtung bekannt, bei der ein axial bewegbares Kupplungselement in ein fixes Kupplungselement ab einer vorbestimmten Differenzgeschwindigkeit eingreift, falls eine Differenzposition zum Vermeiden einer Zahn-auf-Zahnstellung vorliegt. Dies kann insbesondere mit jeweils einem Kupplungselement zugeordneten Hall-Sensoren erfolgen.
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Aus der
DE 10 2013 214 107 A1 ist eine Getriebeanordnung mit einer auf einer Welle befestigten Schaltmuffe bekannt, deren Klauen durch ein axiales Verschieben der Welle in Aussparungen von beidseitig der Schaltmuffe angeordneten Zahnrädern eingreifen können. Es wird ein relativer Winkel zwischen den Zahnrädern durch einen Hall-Sensor gemessen, der zwischen den Zahnrädern am Getriebegehäuse befestigt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch eine Getriebesensoreinheit nach Anspruch 1 und ein Schaltgetriebe nach Anspruch 7 überwunden. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Getriebesensoreinheit für ein Schaltgetriebe. Das Schaltgetriebe umfasst ein Gehäuse, eine Schaltgabel, eine gezahnte Schaltmuffe und zumindest einen gezahnten Kupplungskörper. Die Schaltmuffe und der zumindest eine Kupplungskörper sind um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert und greifen bei einem Schaltvorgang ineinander. Die Getriebesensoreinheit umfasst: einen ersten Hall-Sensor, einen zweiten Hall-Sensor, einen Sensorkörper und eine Befestigungseinrichtung. Der Sensorkörper hält den ersten Hall-Sensor relativ zu dem zweiten Hall-Sensor axial und in Umfangsrichtung an vorbestimmter Positionen. Die Befestigungseinrichtung befestigt den Sensorkörpers an dem Gehäuse des Schaltgetriebes oder an der Schaltgabel. Die Befestigung kann derart sein, dass eine Winkelstellung des zumindest einen Kupplungskörpers durch den ersten Hall-Sensor detektierbar ist und eine Winkelstellung der gezahnten Schaltmuffe durch den zweiten Hall-Sensor detektierbar ist.
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Die Schaltmuffe und der/die Kopplungskörper sind insbesondere eine Klauenkupplung für Antriebe. Der Antrieb kann eine Antriebswelle und eine oder mehrere Abtriebswellen aufweisen, wobei die Schaltmuffe und der/die Kopplungskörper drehbar oder drehfest zu einer der Wellen gelagert sein kann/können. Die Drehungen können insbesondere um eine gemeinsame Drehachse ausgeführt werden.
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Die Befestigungseinrichtung kann alle Mittel umfassen (z.B. Gewindebohrungen, Nieten), die in der Lage sind, den Sensorkörper zu halten oder zu fixieren. Die Befestigungseinrichtung oder die Sensorkörper können einen Permanentmagneten aufweisen, der ein Magnetfeld erzeugt, welches durch den ersten Hall-Sensor hindurchgeführt und durch Drehen der Schaltmuffe verändert wird, um so die Winkelposition der Schaltmuffe über den veränderten Magnetfluss durch den ersten Hall-Sensor festzustellen. Vorteilhafterweise brauchen Ausführungsbeispiele somit kein Magnetrad, sondern pro Hall-Sensor nur einen Magneten, der beispielsweise radial oberhalb des jeweiligen Hall-Sensors angeordnet ist. Die verwendeten Hall-Sensoren sind Sensoren, die auf den Hall-Effekt basieren und können daher jedes veränderliches Magnetfeld detektieren, welches senkrecht zur Stromrichtung im Sensor verläuft. Alternativ zu Hall Sensoren können in gleicher Anordnung auch andere Sensoren genutzt werden, die in der Lage sind, über eine Änderung des Magnetfeldes die Drehbewegungen zu detektieren.
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Optional ist der Sensorkörper ausgebildet, um den ersten Hall-Sensor relativ zu dem zweiten Hall-Sensor an zumindest einer der folgenden vorbestimmten Positionen zu halten:
- - auf einer gleichen Winkelposition in der Umfangsrichtung;
- - einen Versatz in der Umfangsrichtung (z.B. ungefähr einem Abstand zwischen einem Zahn und einer Lücke);
- - einen Versatz in axialer Richtung, wobei der Versatz einer Entkopplung der Schaltmuffe und des zumindest einen Kupplungskörpers entspricht.
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Optional kann die Getriebesensoreinheit eine Auswerteeinheit umfassen, die ausgebildet ist, um zumindest eine der folgenden Funktionen bereitzustellen:
- - Empfangen eines ersten Sensorsignals von dem ersten Hall-Sensor und eines zweiten Sensorsignals von dem zweiten Hall-Sensor und Bestimmen eines winkelmäßigen Versatzes zwischen dem zumindest einen Kupplungskörper und der Schaltmuffe basierend auf einem Differenzsignal oder einem Summensignal zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal;
- - Bestimmen einer axiale Position der Schaltmuffe relativ zu dem zumindest einen Kupplungskörper;
- - Feststellen einer vollständige Kopplung der Schaltmuffe und des zumindest einen Kupplungskörpers (z.B., wenn ein Gang eingelegt ist);
- - Feststellen eines Entkoppelns der Schaltmuffe von dem zumindest einen Kupplungskörper (z.B. Leerlauf),
- - Detektieren eines Spaltes zwischen einer Verzahnung der Schaltmuffe und einer Verzahnung des zumindest einen Kupplungskörpers basierend auf einer Deformation des Magnetfeldes, um so eine winkelmäßige Position ohne Drehmomentübertragung festzustellen.
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Die Sensorsignale sind insbesondere periodische Signale, sodass der winkelmäßige Versatz sich als eine relative Phasenlage ergibt. Der festgestellte winkelmäßige Versatz kann genutzt werden, um festzustellen, ob ein Zahn gegenüber einer Lücke steht („Zahn-auf-Lücke-Position“). Das Differenzsignal kann genutzt werden, wenn bei den vorbestimmten Positionen ein Versatz vorliegt (z.B. halber Abstand zwischen zwei Zähnen). Das Summensignal kann genutzt werden, wenn bei den vorbestimmten Positionen kein Versatz vorliegt. Im letzten Fall liegt bei der Zahn-auf-Lücke-Stellung bedingt durch die Position der Hall-Sensoren bereits ein Phasenversatz von 180° bei den periodischen Sensorsignalen vor.
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Die Position ohne Drehmomentübertragung liegt insbesondere dann vor, wenn die Zähne sich nicht berühren bzw. ein Luftspalt in Drehrichtung zwischen den Zähnen vorliegt. Ein solcher Luftspalt ändert den Magnetfluss und kann somit durch die Auswerteeinheit detektiert werden.
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Optional umfasst die gezahnte Schaltmuffe zwei gegenüberliegende Verzahnungen. Der zumindest eine Kupplungskörper kann einen ersten Kupplungskörper, der auf einer ersten Seite der Schaltmuffe drehbar gelagert ist, und einen zweiten Kupplungskörper, der auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Schaltmuffe drehbar gelagert ist, aufweisen. Optional umfasst die Getriebesensoreinheit weiter: einen dritten Hall-Sensor und/oder einen vierten Hall-Sensor und/oder einen weiteren Sensorkörper. Der weitere Sensorkörper kann den dritten Hall-Sensor relativ zu dem vierten Hall-Sensor axial und in Umfangsrichtung versetzt zueinander halten. Die Befestigungseinrichtung kann den weiteren Sensorkörpers an dem Gehäuse des Schaltgetriebes oder an der Schaltgabel halten. Die Halterung kann derart sein, dass eine Winkelstellung des zweiten Kupplungskörpers durch den dritten Hall-Sensor detektierbar ist und eine Winkelstellung der gezahnten Schaltmuffe relativ zu dem zweiten Kupplungskörpers durch den vierten Hall-Sensor detektierbar ist. Die Befestigungseinrichtung kann einteilig (monolithisch) oder mehrteilig sein, um z.B. mehrere Sensorkörper separat zu befestigen.
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Optional, ist der Sensorkörper und/oder der weitere Sensorkörper mit zumindest einem der Hall-Sensoren als ein Umspritzgehäuse gebildet. Die Umspritzung kann derart erfolgen, dass ein vollständigen Schutz des zumindest einen Hall-Sensors erreicht wird. Insbesondere können alle Hall-Sensoren gemeinsam oder einzeln umspritzt sein.
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Optional ist zumindest einer der Hall-Sensoren ausgebildet, um eine Vorauswertung der Sensorsignale vorzunehmen. Dabei können die analogen Messsignale in digitale Signale umgewandelt werden und anschließend digital an die Auswerteeinheit übertragen werden.
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Optional erfolgt eine Stromversorgung von zumindest einem der Hall-Sensoren über ein Kabel oder kabellos. Im kabellosen Fall kann zumindest eine Spule vorgesehen sein, um eine Energie drahtlos an die Getriebesensoreinheit zu übertragen. Falls die Fixierung der Sensoreinheit an der Schaltgabel erfolgt, kann die Stromversorgung über ein Kabel entlang der Schaltgabel und der Schaltstange erfolgen.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Schaltgetriebe, welches insbesondere für elektrifizierte Mehrgangantriebe geeignet ist. Das Schaltgetriebe umfasst ein Gehäuse, eine Schaltgabel, eine gezahnte Schaltmuffe und zumindest einen gezahnten Kupplungskörper. Die Schaltmuffe und/oder der zumindest eine Kupplungskörper können um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sein, wobei sich bei einem Schaltvorgang die Schaltmuffe in axialer Richtung entlang der Drehachse verschieben kann, um mit dem zumindest einen Kupplungskörper zu koppeln (d.h. ineinanderzugreifen). Das Schaltgetriebe umfasst eine Getriebesensoreinheit, wie sie zuvor beschrieben wurde.
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Optional umfasst das Schaltgetriebe weiter einen Tauchspulenaktor, der an die Schaltgabel koppelt, um eine axiale Verschiebung der Schaltgabel und dadurch eine axiale Verschiebung der Schaltmuffe zu bewirken. Ein Tauchspulenaktor (Engl.: „Voice Coil Actuator“) ist ein zweipoliger nicht kommutierter Antriebsmechanismus mit limitiertem Weg oder Winkel. Er besitzt eine hohe Wiederhol- und Positioniergenauigkeit, eine niedrige elektrische und mechanische Zeitkonstante sowie eine hohe Leistung bezogen auf seine Masse und sein Bauvolumen.
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Optional umfasst der zumindest eine Kupplungskörper einen ersten Kupplungskörper und einen zweiten Kupplungskörper, wobei eine Fixierung vorgesehen sein kann, die die Schaltgabel in zumindest drei der folgenden vorbestimmten axialen Positionen hält:
- - in einer ersten Position, bei der eine Kopplung an den ersten Kupplungskörper erfolgt,
- - in einer zweiten Position, bei der eine Kopplung an den zweiten Kupplungskörper erfolgt,
- - in einer dritten Position, bei der weder eine Kopplung an den ersten Kupplungskörper noch eine Kopplung an den zweiten Kupplungskörper erfolgt.
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Die Fixierung kann vorteilhafterweise über den Tauchspulen-Aktor zuverlässig erreicht werden.
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Die Kopplung kann daher über Verzahnungen erfolgen, wobei die Schaltmuffe und der Kupplungskörper (der erste und/oder der zweite Kupplungskörper) um eine gemeinsame Drehachse R drehbar sein können.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann ein Versatz in Umfangsrichtung als ein Winkel zwischen drehbaren Objekten gemessen werden, wobei Zähne oder Lücken als Referenz genutzt werden können. Ein axialer Versatz bezieht dementsprechend auf einen linearen Abstand der Objekte (d.h. z.B. im Leerlauf sichergestellt werden soll). Durch die Anordnung der Sensoren, kann die Auswerteeinheit direkt ein Differenzsignal von z.B. zwei Sinuskurven erhalten, da der Winkelversatz (Abstand Zahn-Lücke) einer Phasenverschiebung von 180° entspricht.
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Gemäß Ausführungsbeispielen kann ein Ineinandergreifen der Verzahnungen bzw. allgemein die axiale Position über die Periodizität des Sensorsignals ermittelt werden. Beim Ineinandergreifen der Zähne kann beispielsweise eine Verdopplung der Periodizität festgestellt werden, da dann doppelt so viele Zähne vorhanden sind.
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Ausführungsbeispiele überwinden somit die oben genannten Probleme dadurch, dass beispielsweise an einer Schaltgabel vier Hall-Sensoren montiert werden, die direkt eine Schaltverzahnung der Klauenkupplung sensieren. Damit wird es möglich, die Sensorelemente derart anzuordnen, dass eine schnelle Signalverarbeitung möglich wird und aus den Sensorsignalen von jeweils zwei dieser Hall-Sensoren die Drehzahl des Kupplungskörpers und der Schaltmuffe sowie die relativen Winkellagen zueinander (Differenzwinkel) ermittelt werden können. Zusätzlich ist es möglich, dass eine geschickte Signalanalyse eines Sensors ebenfalls dazu genutzt werden kann, um eine axiale Position der Schaltgabel bzw. der Schaltmuffe festzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele.
- 1A, 1B zeigen eine Getriebesensoreinheit nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der die Schaltmuffe zwei Verzahnungen auf gegenüberliegenden Seiten umfasst.
- 3 zeigt ein Schaltgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt eine konventionelle Drehsensierung bei Schaltgetrieben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1A zeigt eine Getriebesensoreinheit nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche für ein Schaltgetriebe vorgesehen ist. Das Schaltgetriebe umfasst ein Gehäuse 10 (nur schematisch dargestellt), eine Schaltgabel 20 (in 1A nicht zu sehen, siehe 3), eine gezahnte Schaltmuffe 30 und zumindest einen gezahnten Kupplungskörper 40. Die Schaltmuffe 30 und der Kupplungskörper 40 sind gemeinsam um eine Drehachse R (in der 1A nicht dargestellt, siehe 3) drehbar gelagert und greifen bei einem Schaltvorgang ineinander. Der Kupplungskörper 40 kann mehrere Verzahnungen 41, 42 aufweisen, die für die Drehmomentübertragung genutzt werden, wovon eine Verzahnung 41 mit der Schaltmuffe 30 koppelbar ist und einen weitere Verzahnung 42 der Drehmomentübertragung auf eine andere Wellen dienen kann (nicht gezeigt). Die Schaltmuffe 30 kann beispielsweise drehfest zusammen mit einer Welle um die Drehachse R drehbar gelagert sein. Außerdem kann auch die Schaltmuffe 30 mehrere Verzahnungen 31, 32 aufweisen, die beispielsweise gegenüberliegend ausgebildet sind und die Kopplung an mehreren Kupplungskörper 40 ermöglichen.
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Somit zeigt 1A beispielhaft eine Klauenkupplung zwischen der Schaltmuffe 30 und dem Kupplungskörper 40. Eine Klauenkupplung ist im Allgemeinen eine Bauform eines Maschinenelements zur Übertragung von Drehbewegungen bzw. Drehmomenten. Sie stellt eine der einfachsten Bauformen einer Kupplung dar.
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Die Getriebesensoreinheit umfasst einen ersten Hall-Sensor 110, einen zweiten Hall-Sensor 120, die in oder an einem Sensorkörper 130 untergebracht sind, wobei der Sensorkörper 130 den ersten Hall-Sensor 110 und den zweiten Hall-Sensor 120 in axialer als auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander hält. Die axiale Richtung bezieht sich dabei auf die Richtung parallel zur Drehachse R, während die Umfangsrichtung sich entlang der Winkelrichtung der drehbaren Schaltmuffe 30 und Kupplungskörper 40 erstreckt.
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1B zeigt diese Anordnung vergrößert in einer Draufsicht, wobei auf der linken Seite die Verzahnung 41 des Kupplungskörpers 40 und auf der rechten Seite die Verzahnung 31 der Schaltmuffe 30 vergrößert dargestellt ist. Die versetzte Anordnung des ersten Hall-Sensors 110 relativ zu dem zweiten Hall-Sensor 120 ist dabei derart gewählt, dass wie gezeigt, die Zähne auf die entsprechenden Lücken zwischen den Zähnen zeigen (Zahn-auf-Lücke-Position). Somit befindet sich jeweils ein Zahn unterhalb des entsprechenden Hall-Sensors 110, 120. Auf diese Weise kann durch eine Differenzsignalauswertung der Sensorsignale der Hall-Sensoren 110, 120 diese Zahn-auf-Lücke-Position durch ein beispielhaft verschwindendes Sensorsignal detektiert werden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen haben die Hall-Sensoren 110, 120 keine Versatz in der Umfangsrichtung und würden sich somit in der der Darstellung der 2 auf gleicher Höhe befinden. In diesem Fall ist es vorteilhaft bei der Signalauswertung das Summensignal zu nutzen, um die Zahn-auf-Lücke-Stellung als ein verschwindendes Detektionssignals zu detektieren. Die Zahn-auf-Lücke-Stellung entspricht nämlich eine relative Verschiebung um eine halbe Periodizität der Verzahnung.
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Ebenso ist der axiale Versatz der Hall-Sensoren 110, 120 entlang der horizontalen Richtung in der 1B derart gewählt, dass die Hall-Sensoren 110, 120 sich bei der gezeigten Entkopplung der Schaltmuffe 30 von dem Kupplungskörper 40 jeweils oberhalb (in der gezeigten Draufsicht) der Zähne/Lücken befinden und nicht auf den durchgehenden Abschnitt 43 befinden, auf den keine Zähne ausgebildet sind. Somit können die Hall-Sensoren 110, 120 beim Entkoppeln der Schaltmuffe 30 von dem Kupplungskörper 40 ein periodisches Signale mit maximaler Amplitude erzeugen.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sensorkörper 130 über eine Befestigungseinrichtung 140 an dem Gehäuse 10 des Schaltgetriebes befestigt (in 1A nur schematisch dargestellt). Alternativ zur Befestigung an dem Gehäuse 10 des Schaltgetriebes ist es ebenfalls möglich, dass der Sensorkörper 130 an einer Schaltgabel oder an ein anderes Element befestigt wird.
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Zur Auswertung der Sensorsignale kann eine Auswerteeinheit 150 vorgesehen sein, die die Sensorsignale entweder über eine Drahtverbindung oder drahtlos empfängt. Die Auswerteeinheit 150 kann ganz oder teilweise innerhalb des Sensorkörpers 130 untergebracht sein bzw. die Hall-Sensoren 110, 120 können eine integrierte Auswertung umfassen, so dass nur ausgewertete Signale an eine externe Steuereinheit übertragen werden (z.B. digital).
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Der erste Hall-Sensor 110 und/oder der zweite Hall-Sensor 120 können außerdem Permanentmagneten umfassen, die beispielsweise derart angeordnet sind, dass Magnetfeldlinien von dem Sensorkörper 130 senkrecht auf die Verzahnung 31, 41 fallen, um durch eine Vorbeibewegung der Zähne eine periodische Änderung im Magnetfeld zu erreichen, welches in den Hall-Sensoren 110, 120 als Sensorsignal detektierbar ist. Der Sensorkörper 130 kann weiter eine Platine 132 umfassen, auf die die beispielhaften Hall-Sensoren 110, 120 angeordnet sind und die auch die Permanentmagneten halten kann (z.B. auf einer gegenüberliegenden Seite). Das Magnetfeld kann durch einen axial magnetisierten Permanentmagneten erzeugt werden. Die gezeigte Anordnung der Hall-Sensoren 110, 120 sorgt gemäß Ausführungsbeispiele dafür, dass der Differenzwinkel durch einen Phasenversatz der beiden Signale ermittelbar ist und somit den gewünschten Zustand (Zahn-auf-Lücke) gerade bei einem Phasenversatz von 0° sich ergibt. Wie bereits vorher erwähnt, beziehen sich die Begriffe Phase, Phasenlage, Phasenversatz etc. auf das/die periodische(n) Signal(e), welche(s) von den Hall-Sensoren 110, 120 infolge der periodisch vorbeilaufenden Zähne erzeugt werden.
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Durch die gezeigte Anbringung der beispielhaften zwei analogen Hall-Sensoren 110, 120 in einer radialen Richtung zur Klauenkupplung wird der magnetische Fluss durch die Permeabilität der Klauenkupplung beeinflusst, , so dass sich die Ausgangsspannungen der Hall-Sensoren ändert, die dann als Sensorsignal erfassbar sind.
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Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele können die beiden Hall-Sensoren 110, 120 entweder als eigenständige Komponenten im Getriebegehäuse 10 montiert werden oder an der Schaltgabel 20 befestigt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Befestigung an dem Getriebegehäuse 10 erfolgt, könnten beide Hall-Sensoren 110, 120 von außen an das Getriebe montiert werden. Hierzu bräuchten nur kleine Änderungen an dem Getriebegehäuse 10 vorgenommen zu werden, um die Erreichbarkeit der Sensoren 110, 120 zu ermöglichen, wobei die Erreichbarkeit der Klauenkupplung gewährleistet bleibt.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Befestigung an dem Getriebegehäuse 10 dazu genutzt werden kann, um entlang der Befestigung eine Signalübertragung auszubilden (zum Beispiel durch Verlegen eines Drahtes oder einer Signalleitung). Ebenso kann eine Spannungsversorgung über die Signalleitung oder über ein weiteres Draht/eine weitere Leitung erreicht werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der die Schaltmuffe 30 zwei Verzahnungen 31, 32 auf gegenüberliegenden Seiten umfasst. Eine erste Verzahnung 31 ist vorgesehen, um mit der Verzahnung 41 eines ersten Kupplungskörpers 40 zu koppeln (z.B. beim Einlegen eines Ganges). Eine gegenüberliegende, zweite Verzahnung 32 ist an der Schaltmuffe 30 vorgesehen, um alternativ die Schaltmuffe 30 mit einem zweiten Kupplungskörper 45 zu koppeln (z.B. um einen anderen Gang einzulegen). Der zweite Kupplungskörper 45 umfasst dementsprechend eine Verzahnung 46, die mit der zweiten Verzahnung 32 der Schaltmuffe 30 koppelbar ist, z.B. zur Drehmomentübertragung zwischen der Schaltmuffe 30 und dem zweiten Kupplungskörper 45.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf jeder Seite der Schaltmuffe 30 jeweils zwei Hall-Sensoren 110, 120, 210, 220 vorgesehen, um die relativen Winkelpositionen und/oder die axialen Positionen der Schaltmuffe 30 in Bezug auf dem ersten Kupplungskörper 40 und in Bezug auf dem zweiten Kupplungskörper 45 zu sensieren. Somit umfasst dieses Ausführungsbeispiel zusätzlich zu dem ersten Hall-Sensor 110 und dem zweiten Hall-Sensor 120, einen dritten Hall-Sensor 210 und einen vierten Hall-Sensor 220. Der dritte Hall-Sensor 210 und der vierte Hall-Sensor 220 sind ebenfalls in Bezug auf die axiale Richtung und die Umfangsrichtung an vorbestimmten Positionen (z.B. versetzt zueinander) angeordnet, um eine Sensierung hinsichtlich der Winkelposition und der axialen Stellung zwischen der Schaltmuffe 30 und des zweiten Kupplungskörpers 45 sicherzustellen. Es sind wiederum nur die winkelmäßig zueinander versetzt angeordneten Hall-Sensoren 210, 220 dargestellt. Das ist aber nicht zwingend. Wenn eine andere Anordnung gewählt wird (z.B. ohne Versatz) wäre die Auswertung der Sensorsignale entsprechend anzupassen (z.B. Nutzung des Summensignals anstatt des Differenzsignals).
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Der dritte Hall-Sensor 210 und der vierte Hall-Sensor 220 können daher in der gleichen Weise ausgebildet werden, wie der erste Hall-Sensor 110 und der zweiten Hall-Sensor 120 und umfassen insbesondere auch Permanentmagneten, die beispielsweise über eine Platine (in der 2 nicht zu sehen) derart angeordnet werden, dass der Magnetfluss der/des Permanentmagneten durch die Verzahnung beeinflusst wird, was durch die Hall-Sensoren 210, 220 feststellbar ist.
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Die gezeigte Ausführungsform mit zwei Kupplungskörpern 40, 45 und einer dazwischen angeordneten Schaltmuffe 30 erlaubt drei Schaltstellungen: (i) eine Neutralstellung (in der 2 zu sehen), wo die Schaltmuffe 30 weder an den ersten Kupplungskörper 40 noch an den zweiten Kupplungskörper 45 koppelt; (ii) eine erste Schaltstellung, wo die Schaltmuffe 30 an den ersten Kupplungskörper 40 koppelt und (iii) eine zweite Schaltstellung, wo die Schaltmuffe 30 an den zweiten Kupplungskörper 45 koppelt.
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In der Neutralstellung sensiert der erste Hall-Sensor 110 die Drehzahl und die Phasenlage des ersten Kupplungskörpers 40 (z.B. relativ zum Gehäuse 10 oder der Schaltgabel 20). Der zweite Hall-Sensor 120 sensiert die Drehzahl und die Phasenlage der Schaltmuffe 30 (z.B. relativ zum Gehäuse 10 oder der Schaltgabel 20). Wenn der Sensorkörper 130 an dem Gehäuse befestigt wird, wäre es auch ausreichend, wenn dort nur ein Tastkopf mit zwei Sensorelementen vorhanden ist, während bei dem weiteren Sensorkörper 230 nur ein Sensorelement (nur der vierte Hall-Sensor 220) ausgebildet zu sein braucht.
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Bei einem beispielhaften Schaltvorgang kann nun ein Sensorsignal vom ersten oder zweiten Hall-Sensor 110, 120 genutzt werden, um die axiale Position der Schaltmuffe 30 zu bestimmen. Hierfür kann beispielsweise eine Amplitude dieses Sensorsignales herangezogen werden. Beim Einlegevorgang wird die Information zur Phasenlage bzw. dem Phasenwinkel zwar über den Einlegevorgang schlechter, was bei ausreichend schnellen Einlegevorgängen (beispielsweise unter Nutzung eines Tauchspulenaktors) jedoch unerheblich ist.
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Bei einem eingelegten Gang kann der erste Hall-Sensor 110 die Drehzahl des Kupplungskörpers 40 detektieren und somit auch die der Schaltmuffe 30. Ebenfalls ist es gemäß Ausführungsbeispielen möglich, dass erkannt wird, ob und in welcher Anlage sich die Klauenkupplung sich befindet. So kann beispielsweise in einer Gangstellung ein Differenzwinkel durch eine Signalanalyse bestimmt werden, was zu einem lastfreien Auslegen eines Ganges genutzt werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Sensorkörper 130 zusammen mit dem ersten Hall-Sensor 110 und dem zweiten Hall-Sensor 120 durch einen Umspritzvorgang hergestellt werden, bei welchem die Sensoren vollständig mit Umspritzmasse umspritzt werden, um eine zuverlässige Abdichtung und Schutz für die Hall-Sensoren 110, 120 zu bieten. Gleiches trifft zu für den weiteren Sensorkörper 230 mit dem dritten Hall-Sensor 210 und dem vierten Hall-Sensor 220, die ebenfalls mit einer Umspritzmasse (vollständig) umspritzt werden können. Die Umspritzmasse beeinflusst dabei den Magnetfluss nicht oder nur insoweit, dass es das Sensorsignal nicht negativ beeinflusst. Wahlweise ist es möglich, dass entsprechende Kabelenden (z.B. für Sensorsignale und/oder Stromversorgung) aus dem Umspritzkörper herausgeführt werden, oder der Umspritzkörper einen integrierten Stecker aufweist, um eine Verbindung zu den Hall-Sensoren 110, 120, 210, 220 herzustellen.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Signalübertragung und die Signalanalyse wie folgt realisiert sein. Die analogen Signale der Hall-Sensoren 110, 120, 210, 220 können beispielsweise analog an ein Steuergerät (z.B. ein Getriebesteuergerät) oder die Auswerteeinheit 150 weitergeleitet werden und dort ausgewertet werden. Es ist ebenfalls möglich, dass die Hall-Sensoren 110,120, 210, 220 bereits digitale Signale erzeugen und bereits eine Vorauswertung durchführen, so dass nur ausgewertete (beispielsweise digitale) Signale übertragen werden. Aufgrund der Montage von außen ist auch eine Verkabelung mit anderen Steuergeräten möglich.
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3 zeigt ein Schaltgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Schaltgetriebe umfasst einen ersten Kupplungskörper 40 und einen zweiten Kupplungskörper 45, zwischen denen die Schaltmuffe 30 angeordnet ist. Die Schaltmuffe 30 wird über eine Schaltgabel 20 in axialer Richtung bewegt, wobei die Schaltgabel 20 an einem Aktor 60 über eine Schaltstange 65 koppelt. Der Aktor 60 kann beispielsweise ein Tauchspulenaktor sein, der ausgebildet ist, um eine axiale Bewegung der Schaltmuffe 30 zu bewirken. Diese axiale Bewegung führt dazu, dass die Schaltmuffe 30 entweder mit dem ersten Kupplungskörper 40 oder mit dem zweiten Kupplungskörper 45 koppelt. Der erste Kupplungskörper 40, der zweite Kupplungskörper 45 und die Schaltmuffe 30 sind dabei um eine gemeinsame Drehachse R drehbar gelagert. Die Drehachse R kann zum Beispiel durch eine An- oder Abtriebswelle gegeben sein. Der beispielhafte Tauchspulenaktor 60 ist vorteilhaft, da damit schnelle Schaltvorgänge und präzise Positionsaktivierung sichergestellt werden können.
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In dem Ausführungsbeispielen der 3 ist der Sensorkörper 130 und der weitere Sensorkörper 230 zusammen mit dem ersten bis vierten Hall-Sensor 110, 120, 210, 220 über die Befestigungseinrichtung 140 an der Schaltgabel 20 befestigt (siehe vergrößerte Darstellung auf der rechten Seite). Er versteht sich, dass auf beiden Seiten der Schaltgabel 20 spiegelsymmetrisch die gleichen Sensoreinheiten 110, 120, 210, 220 ausgebildet sein können und zusammen mit einer Befestigungseinrichtung 140 an der Schaltgabel 20 befestigt sind.
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Je nach Ausgestaltung des Schaltgetriebes kann die Zugänglichkeit von außen schwierig sein. Vorteilhafterweise können daher die Doppel-Hall-Sensoren 110, 120 und/oder die Doppel-Hall-Sensoren 210, 220 zusammen an der Schaltgabel 20 montiert werden, wenn dies - wie es in der 3 dargestellt - räumlich möglich ist. Auch für dieses Ausführungsbeispiel, gibt es wiederum mehrere Stellungen. Bei der Neutralstellung ist die Lage der Hall-Sensoren 110, 120, äquivalent zu der Ausführungsform, in der die Getriebesensoreinheit an dem Gehäuse 10 befestigt ist.
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Beim Schaltvorgang werden die Hall-Sensoren 110, 120, bei diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit der Schaltgabel 20, axial verschoben. Dabei wird der erste Hall-Sensor 110 von einer Verzahnung der Klauenkupplung in einem Bereich 43 der Klauenkupplung geschoben, bei der keine Reluktanzänderung mehr auftritt, weil in dem Bereich 43 keine Zähne ausgebildet sind. Durch eine Analyse des resultierenden Signals (z.B. Amplitudenwerte), kann auf die (axiale) Position der Schaltgabel 20 zurückgeschlossen werden. Dies ist für einen positionsgeregelten Einlegevorgang vorteilhaft. Eine günstige Ausgestaltung der Klauenkupplung kann die Signalgüte hierbei gezielt verbessern. Möglich ist ebenfalls, dass beispielsweise eine gezielte Veränderung eines Luftspaltes zwischen dem Kupplungskörper 40 und der Schaltmuffe 30 über den Schaltweg im Bereich zur Detektion genutzt wird.
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Bei einem eingelegten Gang kann durch eine Analyse des Sensorsignals des zweiten Hall-Sensors 120 die Drehzahl des Kupplungskörpers 40 und der Schaltmuffe 20 ermittelt werden und zusätzlich ein Differenzwinkel zwischen dem Kupplungskörper 40 und der Schaltmuffe 30 ermittelt werden. Mithilfe des Schaltmuffen-Sensors (vierte Hall-Sensor 220) des zweiten Doppel-Hall-Sensors 210, 220 kann bei dieser Ausführungsform noch erkannt werden, in welcher Anlage sich die Klauenkupplung gerade befindet.
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Bei der Signalübertragung und der Signalanalyse ist bei dieser Ausgestaltung zu berücksichtigen, dass die Getriebesensoreinheit an der Schaltgabel das Signal von einem bewegten Bauteil (die Schaltgabel 20) zu einem stillstehenden Bauteil (zum Beispiel die Auswerteeinheit 150 oder ein Steuergerät) überträgt. Bei geringen Wegen kann das mit Kabeln realisiert werden. Hierzu können beispielsweise Kabel entlang einer Schaltstange 65 (Verbindung zwischen Schaltgabel 20 und Aktor 60) und dem Aktor 60 verlegt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch ebenfalls möglich, die Information über eine drahtlose Kommunikation an das Steuergerät zu übertragen. Vorteilhafterweise erfolgt dann eine Digitalisierung und Signalauswertung bereits vor der Übertragung (z.B. direkt auf der Schaltgabel 20). Die Energieversorgung kann beispielsweise über eine induktive Kopplung unter Nutzung von Spulen sichergestellt werden. Optional kann die Signalerfassung zusammen mit der Energieversorgung unter Nutzung einer passiven oder aktiven Transponder-Technologie erfolgen.
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Bei der Herstellung von Ausführungsbeispielen kann beispielsweise die Schaltgabel 20 aus Metall, häufig Stahl, gefertigt werden. In dedizierten Schaltungssystemen mit Klauenkupplungen sind die Kräfte jedoch deutlich geringer, weshalb eine Fertigung der gesamten Schaltgabel 20 aus Kunststoff ebenfalls möglich ist. An den Kontaktstellen der Schaltmuffe 30 können spezielle Gleitelemente oder andere Gleitlager angebracht werden. Alle Hall-Sensoren 110, 120, 210, 220 und/oder die Auswerteelektronik 150 können einzeln oder zusammen vollständig umspritzt werden, womit auch eine Medienverträglichkeit gegenüber dem Schmiermittel gewährleistet wird.
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Die in den Figuren offenbarten Merkmale können in Kombination sein.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 10
- Gehäuse des Schaltgetriebes
- 20
- Schaltgabel
- 30
- gezahnte Schaltmuffe
- 31, 32
- Verzahnungen der Schaltmuffe
- 40, 45
- gezahnte(r) Kupplungskörper
- 41, 46
- Verzahnung der Kupplungskörper
- 42
- weitere Verzahnung
- 43
- Abschnitt/Bereich des Kupplungskörpers ohne Zähne
- 60
- Aktor (z.B. Tauchspulen-Aktor)
- 65
- Schaltstange
- 110, 120, 210, 220
- Hall-Sensoren
- 130, 230
- Sensorkörper
- 132
- Platine des Sensorkörpers
- 140
- Befestigungseinrichtung(en)
- 150
- Auswerteeinheit
- R
- Drehachse
- 500
- E-Antrieb
- 501, 502
- Wellen
- 510, 520
- Drehgeber
- 530, 540
- (konventionelle) Kupplungskörper
- 535
- (konventionelle) Schaltmuffe
