WO2022073537A1 - Schaltelement und schaltvorrichtung mit einem schaltelement - Google Patents

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WO2022073537A1
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switching element
blind hole
magnets
section
blind
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Andreas Schulte
Benjamin Kaufner
Dominik Meidenbauer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F16H63/00Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism
    • F16H63/02Final output mechanisms therefor; Actuating means for the final output mechanisms
    • F16H63/30Constructional features of the final output mechanisms
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    • B60YINDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00Special features of vehicle units
    • B60Y2400/30Sensors
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    • F16H63/30Constructional features of the final output mechanisms
    • F16H2063/3079Shift rod assembly, e.g. supporting, assembly or manufacturing of shift rails or rods; Special details thereof

Definitions

  • the invention relates to a switching element for a motor vehicle change-speed gearbox with an enveloping contour, two blind holes, each of which has a blind hole bottom and a blind hole wall and which are spaced apart axially by a switching element intermediate section, two magnets, which are each arranged in one of the blind holes and together have one Train signal transmitter for determining the position of the switching element.
  • the invention also relates to a switching device with such a switching element.
  • a switching element of the generic type is used in particular in manual transmissions but also in automated manual transmissions or in automatic transmissions of motor vehicles. It is increasingly necessary to be able to determine the precise position of shifting elements, in particular shifting shafts.
  • EP 1 350 991 B1 discloses a sensor arrangement for determining a shift drum position, with a feeler scanning a contoured peripheral surface of a sensor disk firmly connected to a selector shaft. The switching position is then determined by means of a Hall element by non-contact measurement of the position of the button.
  • switching Hall sensors are used, which are designed to detect discrete switching positions. If Hall switches are used, only binary status information is obtained and therefore no exact position of a switching element. Intermediate positions can therefore not be recorded.
  • the signals from magnets that are used for continuous displacement measurement have the disadvantage of high temperature dependencies in the case of flux density measurement or are characterized by a high level of non-linearity in the case of angle measurement. A great deal of effort is therefore required with regard to the compensation, linearization or teaching of each individual switching device. Furthermore, high demands are placed on the components, the series variance of which can only be very small.
  • the accuracy of the distance measurement depends on the strength of the magnetic field.
  • the magnetic field strength in the relevant measuring range must comply with certain limit values in order to be reliably evaluated by the measuring electronics.
  • the field strength is at a minimum between the magnets. In order to ensure the necessary minimum field strength there, relatively strong magnets are required, which is associated with high costs.
  • the object of the present invention is to provide a switching element with a signal generator whose continuous position detection is also possible with weak-field magnets. Furthermore, it is the object of the invention to provide a switching device with such a switching element.
  • the missing material at the transition at the radially outer transition from the blind hole to the switching element changes the course of the field lines of the magnets. In particular, this evens out the magnetic field strength in the air gap that surrounds the switching element, so that the minimum field strength there can also be reached - albeit at the expense of the field strength in other areas. chen - rises. Since the design of the magnets is based on the minimum field strength, the invention enables weaker magnets to be used.
  • a ferromagnetic material can be arranged between the two magnets on the imaginary straight line connecting them.
  • the ferromagnetic material arranged at this point causes the magnetic field lines, which without the material ran at a greater angle to the surface of the switching element, to be deformed into the vertical. This parallelization of the field lines in the pole environment makes it easier to detect changes in the magnetic field at a predetermined, radial distance from the switching element.
  • the two magnets are arranged at an axial distance from one another. They are preferably designed as permanent magnets. They can be designed, for example, as rectangular or cylindrical bar magnets. They are preferably the same in terms of their field strength and their external dimensions.
  • the two magnets are preferably arranged in opposite directions to one another with regard to the magnetic field they generate.
  • the two magnetic elements are arranged in such a way that the magnetic field lines emerging from the center of the magnetic elements are perpendicular to the axial direction of movement of the switching element. They are preferably arranged at the same distance from the shifting axis of the shifting element.
  • the magnets are held on the switching element solely because of their magnetism and are not additionally secured, for example, in a materially bonded manner.
  • the ferromagnetic switching element consists, for example, of a steel alloy.
  • the magnets can also be secured in a positive and/or non-positive manner.
  • the magnets are arranged in the blind holes of the switching element.
  • the blind holes form radially pointing recesses in the lateral surface of the switching element. They preferably have contours complementary to those of the magnets. This can prevent the magnets from falling out or being inadvertently stripped off during assembly, so that additional, costly security measures can be dispensed with. Nevertheless, the magnets can still be additionally secured in the recess, for example glued or sprayed with plastic.
  • the blind holes each have a blind hole bottom and blind hole walls.
  • the blind holes are cylindrical and/or can be drilled. Alternatively, they are designed in the shape of a dome or cuboid. The latter blind holes can be made by punching.
  • the blind hole walls run radially and are thus arranged at an angle to the direction of displacement of the switching element.
  • the switching element can be displaced in at least one direction, which defines the axial direction.
  • it can be rotatable (switching shaft) or be designed as a switching rod which is only fixed in the circumferential direction and can be displaced axially.
  • the switching element can, for example, have a round cross-section or, as a switching rail, a rectangular cross-section.
  • the blind holes can be arranged one behind the other in the circumferential direction or offset from one another.
  • the shifting element can also be a shift fork or another component that can be moved in a transmission of a motor vehicle change-speed gearbox, such as a displaceable component of a parking lock.
  • the switching element intermediate section is the section of the switching element that is formed on an imaginary connecting line between the two blind hole walls.
  • the blind hole walls run essentially radially.
  • the blind hole walls can be formed at an angle to the radial direction in a transition region pointing towards the intermediate section of the switching element.
  • the angling can be produced by a chamfer, by rounding or other material removal.
  • the angle is circumferential, so that the blind hole has a symmetrical transition area.
  • the blind hole can be designed as a stepped bore. In this case, post-processing may not be necessary.
  • the blind holes are arranged in a common axial groove.
  • the magnets protrude radially from the blind holes, but preferably do not penetrate the enveloping circle of the switching element.
  • the switching element can thus be mounted on its outer surface without the bearing having to be adapted to cantilevered magnets.
  • the outer contour of the switching arrangement thus formed by the switching shaft and the magnets is therefore flattened in the area of the blind hole, with walls resulting on both sides of the magnets in the axial direction, which enclose the magnets.
  • the outer contour is thus formed by the enveloping circle of the lateral surface of the switching arrangement running parallel to the axis of rotation, which is offset radially inwards only in the region of the blind holes.
  • the magnetic field of the signal transmitter is detected by a sensor that is preferably fixed to the gearbox housing.
  • the sensor and the magnets are preferably moved relative to one another at a constant distance, forming an air gap.
  • the sensor is preferably connected to an evaluation device which is designed to further process the measured signal, for example the direction of the magnetic field, into an axial position.
  • the proposed concept enables a continuous measurement of the magnetic field with sufficient accuracy for a continuous determination of the position of the switching element.
  • the measured signal is already linear or a signal that can be easily linearized, which allows a precise determination of the axial position of the switching element relative to the housing.
  • the direction and/or strength of the magnetic field generated by the two magnets is detected by the sensor and the axial position is determined from this.
  • the two magnets are arranged one behind the other in the measuring direction, which means that the direction of the magnetic field is essentially proportional to the axial position and insensitive to disturbance variables.
  • a switching element according to the invention can be mounted directly in a transmission housing. It is preferably mounted in a housing in which the sensor for detecting the field lines of the magnets is integrated.
  • the housing and the switching element with the magnets form a switching device.
  • the switching device can have a plurality of rows of metallic rolling bodies arranged one behind the other, which roll on the switching element directly adjacent to the magnets, without the measurement accuracy being significantly impaired.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a switching element according to the invention in a switching device with a sensor bearing, 2a, 2b a first embodiment of a switching element according to the invention for FIG. 1 in a perspective view and in a longitudinal section,
  • FIG. 3a, 3b a second embodiment of a switching element according to the invention for FIG. 1 in a perspective view and in a longitudinal section
  • FIG. 4a, 4b a third embodiment of a switching element according to the invention for FIG. 1 in a perspective view and in a longitudinal section
  • FIG. 5a, 5b a fourth embodiment of a switching element according to the invention for FIG. 1 in a perspective view and in a longitudinal section and
  • Figure 6 shows a switching element for Figure 1 without optimized blind hole contour in a longitudinal section
  • Figure 7 shows a schematic representation of the magnetic field strength of the switching elements detected by the sensor according to Figures 2b and 6.
  • FIG. 1 shows part of a shifting device 9 of a gear change transmission of a motor vehicle, the basic structure of which is known.
  • a switching element 1 in the form of a switching shaft can be displaced axially in a housing 10 in the direction of its longitudinal axis 22 by means of actuating elements which are not shown.
  • a shift fork, not shown, can be moved with the shifting element 1 and a shifting process can be carried out with it.
  • it is mounted in a sensor bearing 20, of which the sleeve contour 14 and a sensor 11 are shown in the present case.
  • Their axial position can be secured by a latching element, not shown, which is pretensioned against a latching contour 24 .
  • the axial position of the switching element 1 is determined using a sensor system which is formed from two magnets 6 , 7 as a pair of signal transmitters and the sensor 11 .
  • the first magnet 6 and the second magnet 7 are stationarily arranged on the switching element 1 . Both magnets 6, 7 thus have a defined distance from one another.
  • the magnets 6, 7 designed as permanent magnets are arranged in opposite directions, ie the north and south poles are oriented in opposite directions.
  • the sensor 11 is at a radial distance from the switching element ment 1 arranged and spaced by an air gap.
  • the sensor 11 is arranged in a stationary manner on the housing 10 .
  • the sensor 11 can detect an angle at which the magnetic field is at a desired axial position. In any case, this applies to the selected measuring range, over which there is a high degree of linearity between the angle and the axial position of the switching element 1 .
  • Figures 2a and 2b show a first switching element 1, with two blind holes 3, 4, which are arranged axially offset from one another and each have a blind hole base 13 and a blind hole wall 23. Their depth is the same, so that they are at the same distance from the central axis 19 of the switching element 1 . Between the blind holes 3, 4 there is material of the switching element 1, which forms an intermediate section 5 of the switching element. The blind holes 3, 4 are arranged at the same circumferential angle and have the same contour. In each of the blind holes 3, 4, a magnet 6, 7 is arranged. Both magnets 6, 7 have the same external dimensions and the same field strength. In a first, inner blind hole section 17, the magnets 6, 7 each lie against the wall 23 of the blind hole.
  • the transition area is designed as a chamfer 15 with an angle of 30° in the present case and therefore forms a cone.
  • the radial depths of the inner blind hole section 17 and the outer blind hole section 18 are approximately the same.
  • the shifting element 1 designed as a shifting rod has an enveloping contour 2 .
  • the magnets 6, 7 do not extend in the radial direction 12 to the enveloping contour 2, but are set back by a gap 21 from this.
  • the blind holes 3, 4 in FIGS. 3a and 3b differ from those in FIGS. 2a and 2b in that they are designed as stepped bores. They have a ring shoulder 25 .
  • the magnets 6, 7 are still held in the first, inner blind hole section 17, which extends up to the annular shoulder 25.
  • the second, outer blind hole section 18 adjoins the annular shoulder 25 radially on the outside and initially runs radially and also has a chamfer 15 further radially on the outside.
  • the blind holes 3, 4 are arranged in a common axial groove 8.
  • a chamfer 15 can be because the axial groove 8 itself ensures that the magnets 6, 7 are not surrounded by ferromagnetic material, at least in the area facing one another on their radially outer section.
  • the clearance for the intermediate section 5 of the switching element is not provided by a chamfer 15, but rather by a radius 16.
  • the switching element intermediate section 5 can also have a different rounding or geometric shape that ensures, at least in the radially outer area, that the magnets 6, 7 are spaced apart from the switching element intermediate section 5.
  • the switching element can only be moved to a limited extent, it may be sufficient to only provide the areas of the switching element 1 sweeping over the measuring section with recesses. It is usually sufficient if the chamfers 15, radii 16, axial groove 8 are or are only in the region of the intermediate section 5 of the switching element.
  • the magnets 6, 7 are countersunk in the switching element 1 and do not protrude radially beyond the enveloping circle, the enveloping contour 2, the outer surface of the switching element 1. There is thus an air gap to the sensor 11, and it is ensured that the magnets 6, 7 are not swept over by the housing 10 and thus assume a bearing function.
  • FIG. 6 shows a switching element 1 according to the prior art with two magnets 6, 7 and an intermediate switching element section 5, which radially completely encloses the magnets 6, 7.
  • the blind hole wall 23 has a radial section 25 which protrudes radially beyond the magnets 6, 7. Its radial section 25 deforms the magnetic field of the magnets 6, 7 and weakens it.
  • FIG. 7 shows the field strength measured by the sensor 11 as a function of the axial position of the switching element 1.
  • the highest field strength of the switching element 1 according to FIG. 6 is set at 100%.
  • the minimum field strength in this embodiment is approximately 20% of the maximum value.
  • Curve II shows the field strength of a switching element 1 according to FIGS. 2a, 2b, which differs from switching element 1 of curve 6 only in the presence of bevel 15.
  • the field strength of the magnets 6, 7 used is the same.
  • the detected maximum value of the field strength is about 30% higher. What is more important is that the detected field strength is higher by an offset in the entire measuring range. The offset fluctuates less with the traversing path than the absolute field strength, so that the minimum field strength at 40% in relative terms units. It is therefore twice as high as the field strength of a switching element according to FIG. 2. Since the minimum field strength is decisive for the dimensioning of the magnets, the invention makes it possible to use weaker magnets in order to achieve the same measuring accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltelement (1) mit einer einhüllenden Kontur (2), zwei Sacklöehern (3, 4), die jeweils einen Sacklochboden (13, 14) und eine Sacklochwandung (23, 24) aufweisen und die axial voneinander durch einen Schaltelementzwischenabschnitt (5) beabstandet sind, zwei Magneten (6, 7), die jeweils in einem der Sacklöcher (3, 4) angeordnet sind und gemeinsam einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements (1) ausbilden, wobei die Sacklochwandungen (23, 24) in ihrem zum Schaltelementzwischenabschnitt (5) weisenden Bereich gewinkelt zur Radialrichtung ausgebildet sind.

Description

Schaltelement und Schaltvorrichtung mit einem Schaltelement
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 be- abstandet sind, zwei Magneten, die jeweils in einem der Sacklöcher angeordnet sind und gemeinsam einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements ausbilden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Schaltvorrichtung mit einem derartigen Schaltelement.
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 / 0 001 971 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. Weitere Schaltvorrichtungen sind aus DE 10 2008 052 416 A1, DE 10 2008 063 598 A1 , DE 10 2017 002 873 A1 und DE 19748 115 A1 bekannt.
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. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung mit einem derartigen Schaltelement bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgaben wird gelöst durch Vorrichtungen gemäß der Ansprüche 1 und 9. Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8. 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 Berei- chen - 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 Außenkontur somit durch den Hüllkreis der parallel zur Drehachse verlaufenden Mantelfläche der Schaltanordnung gebildet, die lediglich im Bereich der Sacklöcher 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.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltelements in einer Schaltvorrichtung mit einem Sensorlager, Fig. 2a, 2b eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt,
Fig. 3a, 3b eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt,
Fig. 4a, 4b eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt,
Fig. 5a, 5b eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt und
Figur 6 ein Schaltelement für Figur 1 ohne optimierte Sacklochkontur in einem Längsschnitt und
Figur 7 eine schematische Darstellung der durch den Sensor detektierten Magnetfeldstärke der Schaltelemente nach den Figuren 2b und 6.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In Figur 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 Schaltele- ment 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 Figuren 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 Figuren 3a und 3b unterscheiden sich von denen der Figur 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 Figuren 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 ver- zichtet 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 Figuren 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.
Figur 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.
Figur 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 Figur 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 Figur 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 Relativein- heiten liegt. Sie ist damit doppelt so hoch wie die Feldstärke eines Schaltelements nach Figur 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 Figur 2a, 2b
VI Feldstärke in Abhängigkeit der Axialposition des Schaltelements nach Figur 6

Claims

Patentansprüche . Axial entlang einer Längsachse (22) verschiebbares Schaltelement (1) für ein Kraftfahrzeugwechselgetriebe mit einer einhüllenden Kontur (2), zwei Sacklöchern (3, 4), die jeweils einen Sacklochboden (13) und eine Sacklochwandung (23) mit einem ersten, in einer Radialrichtung (12) inneren Sacklochabschnitt (17) und mit einem zweiten, in der Radialrichtung (12) äußeren Sacklochabschnitt (18) aufweisen, einem Schaltelementzwischenabschnitt (5), der zwischen den beiden Sacklöchern (3, 4) angeordnet ist, zwei Magneten (6, 7), die jeweils in einem der Sacklöcher (3, 4) angeordnet sind und gemeinsam einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements (1) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (6, 7) zur einhüllenden Kontur (2) in Radialrichtung (12) rückversetzt sind sowie im ersten, inneren Sacklochabschnitt (17) an der Sacklochwandung 23 anliegen und im zweiten, äußeren Sacklochabschnitt (18) von der Sacklochwandung 23 beabstandet sind.
2. Schaltelement (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklochwandungen (23, 24) in ihrem zum Schaltelementzwischenabschnitt (5) weisenden Übergangsbereich (33, 34) gewinkelt zur Radialrichtung (12) ausgebildet sind
3. Schaltelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sacklochwandungen (23) eine Fase (15) aufweist.
4. Schaltelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sacklochwandungen (23) mit einem Radius (16) verrundet ist.
5. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sacklochwandungen (23) als Stufenausnehmung ausgebildet ist.
6. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sacklöcher (3, 4) in einer gemeinsamen Axialnut (8) angeordnet sind. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (1) eine einhüllende Kontur (2) aufweist, zu der der Schaltelementzwischenabschnitt (5) radial rückversetzt ist. Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (6, 7) unmittelbar im Schaltelement (1) gehaltert sind. Schaltvorrichtung (9) eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes mit einem Gehäuse (10), das einen Sensor (11) aufweist, und mit einem Schaltelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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