DE19924995A1 - Anordnung und Verfahren zur Erfassung der Translationslage eines Stellelements in einem Getriebe - Google Patents

Abstract

Eine Lageerfassungsanordnung in einem Kraftfahrzeuggetriebe weist ein in dem Getriebe angeordnetes, entlang einer vorgegebenen Translationsrichtung (X) verschieblich gelagertes Stellelement (7) auf, dessen Translationslage das Übersetzungsverhältnis des Getriebes beeinflußt. Die Translationslage des Stellelementes wird mittels einer Positionserfassungseinrichtung (15, 15', 18) erfaßt, welche einen Magneten (15, 15') und einen Magnetfeldsensor (19) umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer das Übersetzungsverhältnis beeinflussenden Translationslage eines verschieblichen Stellelements in einem Kraftfahrzeuggetriebe.

Es ist bereits bekannt, zur Einstellung des Übersetzungsver­ hältnisses in einem Getriebe längsverschieblich gelagerte Steuerstangen oder Steuermuffen einzusetzen, wobei eine Lage­ änderung des Stellelements in Axialrichtung eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes bewirkt. Zur Überwa­ chung der axialen Lage des Stellelements werden induktive Sensoren eingesetzt.

In bestimmten Anwendungsfällen ist neben der Translationsbe­ wegung des Stellelements auch eine Drehbewegung desselben um seine Achse vorgesehen, und ferner kann aufgrund von Vibra­ tionen und temporären, belastungsbedingten Formänderungen des gesamten Getriebegehäuses auch eine (unerwünschte) Kippaus­ lenkung des geführten Stellelements nicht vollständig vermie­ den werden. Es hat sich gezeigt, daß es in der Praxis schwierig ist, sicherzustellen, daß etwaige Dreh- und Kippbe­ wegungen des Stellelements die Positionserfassung seiner Translationslage (Hub) nicht oder nur sehr geringfügig beein­ flussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung der Translationslage eines in ei­ nem Kraftfahrzeuggetriebe verschieblich gelagerten Stellele­ ments anzugeben, die bzw. das unempfindlich gegenüber anderen Einflußgrößen wie Dreh- und Kippbewegungen des Stellelements ist. Darüber hinaus soll die Anordnung sowie das Verfahren auch den weiteren Anforderungen in einem Getriebe - geringer Platzbedarf, hohe Temperaturbeständigkeit, Öldichtigkeit, Vi­ brationsfestigkeit usw. - in vollem Maße genügen können.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen An­ sprüche gelöst.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Messung des Magnetfel­ des kann allgemein eine gute Unterdrückung der genannten Ein­ flußgrößen (Kipp- und Drehbewegung des Stellelements) bei der Erfassung der Translationslage desselben erreicht werden. Ferner kann die Anordnung mit geringer Baugröße und in einer für den Einbau in ein Getriebe tauglichen Realisierung ausge­ führt werden.

Eine konstruktiv bevorzugte Variante der Erfindung kennzeich­ net sich dadurch, daß der Magnet an dem verschieblich gela­ gerten Stellelement und der Magnetfeldsensor an einer Getrie­ begehäuse-festen Halterung befestigt sind. Magnetfeldsensor und Magnet können jedoch auch in dazu vertauschter Konfigura­ tion angeordnet sein.

Es können grundsätzlich eine Vielzahl von unterschiedlichen Magnetfeldsensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, AMR- (Anisotroper Magneto Resistor)-Sensoren und dergleichen zum Einsatz kommen. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestal­ tung der Erfindung wird ein GMR-(Giant Magneto Resistor)- Sensor als Magnetfeldsensor eingesetzt. Ein GMR-Sensor ist ein aus einem magnetischen Mehrschichtsystem aufgebauter Ma­ gnetfeldsensor, der einen besonders ausgeprägten magnetoresi­ stiven Effekt und folglich eine hohe Empfindlichkeit auf­ weist. Er mißt (im Sättigungsbereich) allein die Richtung des Magnetfeldes. Letzteres ist günstig, weil bei einem Ver­ kippen des Stellelements die (relative) Richtungsänderung des Magnetfeldes an dem Meßort in der Regel geringer ist als die dort gleichzeitig auftretende (relative) Änderung der Magnet­ feldstärke. Trotz einer empfindlichen Erfassung der Linear­ position des Stellelements wird folglich eine gute Unempfind­ lichkeit gegenüber einer Kippbewegung desselben erreicht.

Vorzugsweise ist der Magnet entweder ein Stabmagnet, dessen Polachse sich in Translationsrichtung des Stellelements er­ streckt, oder ein Ringmagnet, dessen Ringachse sich in Trans­ lationsrichtung des Stellelements erstreckt. Bei beiden Mög­ lichkeiten wird ein rotationssymmetrisches Magnetfeld ge­ schaffen, und infolgedessen wird eine praktisch vollständige Unempfindlichkeit der Translationsmessung gegenüber einer ge­ gebenenfalls vorgesehenen Drehbewegung des Stellelements er­ halten.

Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird die Translation des Stellelements mittels eines in Abhängig­ keit von einem Ausgangssignal der Positionserfassungseinrich­ tung geregelten Antriebs, insbesondere Hydraulikantriebs, ausgeführt. Der Regelbetrieb kann aufgrund der Auslegung der erfindungsgemäßen Translationslage-Erfassungsanordnung fein­ fühlig und störungstolerant (bezüglich einer Kipp- und/oder Drehbewegung des Stellelements) erfolgen und gewährleistet stets, daß das Getriebe nicht in einen instabilen Zustand ge­ langt.

Zur Erzielung der erforderlichen Öldichtigkeit und mechani­ schen Stabilität im rauhen Betrieb sind der Magnetfeldsensor sowie eine dem Magnetfeldsensor nachgeschaltete Auswerteelek­ tronik zweckmäßigerweise in einem Kunststoffgehäuse öldicht vergossen.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von zwei Ausführungsvarianten unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittdarstellung eines Getrie­ beabschnitts zur Erläuterung einer ersten Ausführungs­ variante der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ar­ beitsprinzips eines GMR-Sensors;

Fig. 3 ein Schaubild, das die Abhängigkeit der Ausgangsspan­ nung eines GMR-Sensors von der Translationslage eines Stellelements darstellt; und

Fig. 4 eine Abwandlung der Fig. 1 zur Erläuterung einer zwei­ ten Ausführungsvariante der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines Automatikgetriebes eines Kraftfahrzeugs mit einer das Getriebe bodenseitig begrenzen­ den Ölwanne W. Eine gehäusefeste Grundplatte 1 weist eine Durchgangsöffnung 2 auf und ist an ihrer Oberseite 3 mit ei­ ner Gegenplatte 4 gekoppelt. In der Gegenplatte 4 ist ein über der Durchgangsöffnung 2 liegender, kreisscheibenförmiger Freibereich mit einem gegenüber der Durchgangsöffnung 2 er­ weiterten Radius ausgespart, welcher zusammen mit der Grund­ plattenoberseite 3 einen Zylinder 5 definiert. An den Zylin­ der 5 schließt sich deckenseitig eine koaxiale Durchgangsöff­ nung 6 in der Gegenplatte 4 an.

In den Durchgangsöffnungen 2, 6 der Gehäusegrundplatte 1 und der Gegenplatte 4 ist ein zylindersymmetrisches Stellelement 7 axial verschieblich eingesetzt. Das Stellelement 7 weist einen kreisscheibenförmigen Regelkolben 8 auf, welcher in dem Zylinder 5 abdichtend verschieblich aufgenommen ist. Durch den Regelkolben 8 wird der Zylinder 5 in zwei einander gegen­ überliegende Zylinderkammern 9 und 10 unterteilt.

Auf der Höhe der Grundplatte 1 und der Gegenplatte 4 sind in dem Stellelement 7 umfangsseitig umlaufende Ringnuten 11a, 11b, 11c ausgebildet, in welchen Ringdichtungen eingesetzt sind. Das Stellelement 7 weist ferner eine Zentralbohrung 12 auf, über welche ein Schmiermittel über radial verlaufende Stichkanäle 13 zur Umfangswandung des Stellelements 7 gelei­ tet werden kann.

Durch eine gezielte Befüllung und/oder Entleerung der Zylin­ derkammern 9, 10 mit einem Druckfluid kann eine bidirektiona­ le Translationsbewegung des Stellelements 7 in Richtung des Doppelpfeils X bewirkt werden. Zu diesem Zweck stehen die Zylinderkammern 9, 10 über nicht näher dargestellte Kanäle, Hydraulikpumpen und Steuerventile mit einem Druckfluid spei­ chernden Hydraulikreservoir in Verbindung.

An seiner freien Stirnseite ist das Stellelement 7 mit einem Abschlußstück 14 versehen, das an seinem axial äußeren Ende einen Stabmagneten 15 trägt. Vorzugsweise wird ein Perma­ nentmagnet verwendet. Die Polachse (Nord-Süd-Magnetachse) des Stabmagneten 15 verläuft vorzugsweise parallel zur Trans­ lationsrichtung (Doppelpfeil X) und koaxial zu der Achse des Stellelements 7.

An einer Unterseite 16 der Grundplatte 1 ist ein Träger 17 angebracht, an welchem ein gekapselter, berührungsfrei arbei­ tender Meßkopf 18 angebracht ist. Der Meßkopf 18 umfaßt ei­ nen Magnetfeldsensor 19, der in dem vorliegenden Beispiel als GMR-Sensor ausgebildet ist, und ferner eine dem GMR-Sensor 19 nachgeschaltete Auswerteelektronik 20. Der Meßkopf 18 und der relativ zum Meßkopf 18 bewegliche Stabmagnet 15 bilden eine Positionserfassungseinrichtung.

Am Ausgang 21 der Auswerteelektronik 20 steht ein elektri­ sches Spannungssignal bereit, welches für die Lage des Stab­ magneten 15 relativ zu dem Ort des GMR-Sensors 19 charakteri­ stisch ist.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist wie folgt:
Solange sich das Stellelement 7 gemäß Fig. 1 in einer kon­ struktiv vorgegebenen Mittel- oder Nullage befindet, ist das Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes zeitlich kon­ stant. Wird das Stellelement 7 aufgrund einer von dem Kraft­ fahrzeugbenutzer oder der Kfz-Elektronik ausgegebenen Anwei­ sung mittels der Zylinder-Kolbenanordnung 5, 8, 9, 10 aus seiner Nullage verschoben, nimmt das Übersetzungsverhältnis je nachdem, in welche Richtung die Verschiebung erfolgt, zu oder ab. Dabei ist die Zeitdauer, in der sich die Änderung des Übersetzungsverhältnisses einstellt, abhängig von dem zu­ rückgelegten Translationsweg des Stellelements 7 aus der Nul­ lage. Die zur Regelung des Übersetzungsverhältnisses erfor­ derliche Positionsbestimmung des Stellelements 7 wird mittels der Positionserfassungseinrichtung 15, 18 realisiert.

Fig. 2 erläutert das Arbeitsprinzip der in Fig. 1 dargestell­ ten Positionserfassungseinrichtung 15, 18. Der GMR-Sensor 19 ist bei einem ausreichend starken Magnetfeld H (d. h. im Sät­ tigungsbereich) ausschließlich gegenüber Richtungsänderungen des Magnetfeldes H bezüglich einer vorgegebenen Magnetisie­ rung M des GMR-Sensors 19 empfindlich. In Fig. 2 ist der Feldverlauf des von dem Stabmagneten 15 erzeugten Magnetfel­ des H durch gestrichelte Linien veranschaulicht, und die Ma­ gnetisierungsrichtung des GMR-Sensors 19 ist durch drei pa­ rallele Pfeile angedeutet. Der GMR-Sensor 19 wird bei fester Magnetisierungsrichtung längs eines Weges von A nach B durch das Magnetfeld H geführt (dies ist äquivalent zu der in Fig. 1 dargestellten Situation, in der der Stabmagnet 15 an dem feststehenden GMR-Sensor 19 vorbeibewegt wird). Die Pfeile H_1, H2, . . ., H7 zeigen die Richtung des Magnetfeldes H ent­ lang dem Verlauf des Weges von A nach B an. Es wird deut­ lich, daß aufgrund der Feldkrümmung eine kontinuierliche Än­ derung des Winkels zwischen der Richtung des Magnetfelds H und der Richtung der Magnetisierung M am Ort des GMR-Sensors 19 auftritt.

Fig. 3 zeigt ein von dem in der Praxis als GMR-Sensorbrücke realisierten GMR-Sensor 19 ausgegebenes Brücken- Spannungssignal in Abhängigkeit von der Translationslage X. Das Brücken-Spannungssignal zeigt einen sinusförmigen Verlauf mit einem Nulldurchgang bei X0. Der Nulldurchgang X0 tritt auf, wenn das Magnetfeld H senkrecht zu der internen Magneti­ sierung M des GMR-Sensors 19 gerichtet ist, was bei H4 (siehe Fig. 2) der Fall ist.

Der Nulldurchgang X0 kann durch eine geeignete mittige Posi­ tionierung des Meßkopfes 18 gegenüber dem Magneten 15 so ein­ gestellt werden, daß die konstruktiv vorgegebene Nullage des Stellelements 7 (d. h. die Lage, in der das Übersetzungsver­ hältnis konstant bleibt) mit dem Nulldurchgang X0 des Brüc­ ken-Spannungssignals zusammenfällt. In diesem Fall kann X0 als Arbeitspunkt des Regelsystems herangezogen werden, und es wird ferner eine näherungsweise lineare Weg-Spannungs- Charakteristik der Positionserfassungseinrichtung 15, 18 in einem Arbeitsbereich um X0 herum erhalten.

Das Brücken-Ausgangsspannungssignal wird der Auswerteelektro­ nik 20 zugeführt, in welcher es temperaturkompensiert, ver­ stärkt und im Offset so verschoben wird, daß am Ausgang 21 der Auswerteelektronik nur positive Ausgangsspannungen auf­ treten. Bei 5 V Versorgungsspannung kann der Ausgangsspan­ nungsbereich der Auswerteelektronik beispielsweise auf 1 bis 4 V eingestellt werden, wobei X0 dann einer Ausgangsspannung von 2,5 V entspricht.

Eine Feinabstimmung des Nulldurchgangs X0 auf die Nullage des Stellelements 7 kann mechanisch durch eine Verschiebung des GMR-Sensors (GMR-Sensorbrücke) 19 am Meßkopf 18 und/oder auf elektronischem Wege durch eine entsprechende Offset-Korrektur der Ausgangsspannung durch die Auswerteelektronik 20 erfol­ gen.

Zusätzlich zu der beschriebenen translatorischen Verstellbar­ keit kann das Stellelement 7 auch drehverstellbar ausgeführt sein. Beispielsweise kann bei einem Automatikgetriebe mit stufenlos einstellbarem Übersetzungsverhältnis vorgesehen sein, daß die bei einer vorgegebenen Verschiebung des Stell­ elements 7 einsetzende Änderung des Übersetzungsverhältnisses eine dem aktuellen Übersetzungsverhältnis proportionale Win­ kelverstellung des Stellelements 7 herbeiführt. Selbst wenn das Stellelement 7 nicht drehverstellbar ausgeführt ist, kann es unter Umständen durch die hohen in einem Getriebe wirken­ den Kräfte zu einer geringfügigen Verdrehung desselben durch Verwindung kommen. Die Rotationssymmetrie des magnetischen Feldes H des Magneten 15 bewirkt, daß eine Drehung des Stell­ elements 7 jedenfalls keinen Einfluß auf das Meßergebnis der Translationsbewegung hat.

Ferner ist eine mögliche Verkippung oder Auslenkung des Stell­ elements in Radialrichtung zu berücksichtigen. Diese hat eine Änderung sowohl der Magnetfeldstärke als auch der Rich­ tung des Magnetfeldes am Ort des GMR-Sensors 19 zur Folge. Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines GMR-Sensors 19 und einer geeigneten Auslegung der Meßgeometrie der Einfluß einer Kippbewegung auf das am Ausgang 21 der Positionserfas­ sungseinrichtung 15, 18 bereitstehende Signal ausgesprochen gering gehalten werden kann.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsvariante der erfindungs­ gemäßen Lageerfassungsanordnung, die sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Variante im wesentlichen nur dadurch un­ terscheidet, daß statt eines Stabmagneten 15 ein Ringmagnet 15' zum Einsatz kommt. Dadurch wird eine erfindungsgemäße Lageerfassungsanordnung mit einem geringeren Platzbedarf in Translationsrichtung X geschaffen, so daß die unterhalb des Stellelements 7 verlaufende Ölwanne W eine geringere Einbau­ tiefe als in Fig. 1 aufweisen kann. Ferner kann der Träger 17 entfallen.

Je nach Typ und Aufbau des Getriebes kann das Stellelement 7 in konstruktiv unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Ins­ besondere muß es nicht als Steuerstange wie in den Fig. 1 und 4 dargestellt realisiert sein, sondern kann beispielsweise auch in Form einer über einer Zentralachse verschieblich ge­ lagerten, gegebenenfalls rotierbaren und mit Getrieberädern besetzten Hohlwelle, Muffe oder Hülse ausgebildet sein.

Claims (10)

1. Lageerfassungsanordnung in einem Kraftfahrzeuggetriebe,

• - mit einem in dem Getriebe angeordneten, entlang einer vor­ gegebenen Translationsrichtung (X) verschieblich gelagerten Stellelement (7), dessen Translationslage das Übersetzungs­ verhältnis des Getriebes beeinflußt, und
• - mit einer die Translationslage des Stellelements (7) erfas­ senden Positionserfassungseinrichtung (15, 15', 18), die einen Magneten (15, 15') und einen Magnetfeldsensor (19) umfaßt.

2. Lageerfassungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (15, 15') an dem verschieblichen Stellelement (7) und der Magnetfeldsensor (19) an einer Getriebegehäuse­ festen Halterung (17) befestigt sind.

3. Lageerfassungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen GMR-Sensor (19) handelt.

4. Lageerfassungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Stabmagnet (15) ist, dessen Polachse sich in Translationsrichtung (X) erstreckt.

5. Lageerfassungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Ringmagnet (15') ist, dessen Ringachse sich in Translationsrichtung (X) erstreckt.

6. Lageerfassungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsrate des Übersetzungsverhältnisses propor­ tional zu einem aus einer Nullage zurückgelegten Translati­ onsweg des Stellelements (7) ist.

7. Lageerfassungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Translation des Stellelements (7) mittels eines in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal (21) der Positionser­ fassungseinrichtung (15, 15', 18) geregelten Antriebs, insbe­ sondere Hydraulikantriebs (5, 8, 9, 10) ausgeführt wird.

8. Lageerfassungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungseinrichtung (15, 15', 18) ein elektrisches Ausgangssignal (21) bereitstellt, das im wesent­ lichen proportional zu der Translationslage des Stellelements (7) ist.

9. Lageerfassungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (19) sowie eine dem Magnetfeldsensor (19) nachgeschaltete Auswerteelektronik (20) in einem Kunst­ stoffgehäuse öldicht vergossen sind.

10. Verfahren zur Erfassung der Lage eines Stellelements in einem Kraftfahrzeuggetriebe, bei welchem mittels einer einen Magnetfeldsensor (19) und einen Magneten (15, 15') umfassen­ den Positionserfassungseinrichtung (15, 15', 18) eine das Übersetzungsverhältnis des Getriebes beeinflussende Transla­ tionslage des entlang einer vorgegebenen Translationsrichtung (X) verschieblich gelagerten Stellelements (7) erfaßt wird.