WO2024022657A1 - Getriebesensoreinheit und schaltgetriebe - Google Patents

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WO2024022657A1
WO2024022657A1 PCT/EP2023/065089 EP2023065089W WO2024022657A1 WO 2024022657 A1 WO2024022657 A1 WO 2024022657A1 EP 2023065089 W EP2023065089 W EP 2023065089W WO 2024022657 A1 WO2024022657 A1 WO 2024022657A1
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sensor
transmission
hall sensor
hall
coupling
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PCT/EP2023/065089
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Daniel Franz
Daniel Schöneberger
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Technische Universität Darmstadt
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H63/00—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism
    • F16H63/02—Final output mechanisms therefor; Actuating means for the final output mechanisms
    • F16H63/30—Constructional features of the final output mechanisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/30—Sensors
    • B60Y2400/301—Sensors for position or displacement
    • B60Y2400/3012—Sensors for position or displacement using Hall effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/04—Smoothing ratio shift
    • F16H2061/047—Smoothing ratio shift by preventing or solving a tooth butt situation upon engagement failure due to misalignment of teeth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H63/00—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism
    • F16H63/02—Final output mechanisms therefor; Actuating means for the final output mechanisms
    • F16H63/30—Constructional features of the final output mechanisms
    • F16H2063/3093—Final output elements, i.e. the final elements to establish gear ratio, e.g. dog clutches or other means establishing coupling to shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H59/00—Control inputs to control units of change-speed-, or reversing-gearings for conveying rotary motion
    • F16H59/68—Inputs being a function of gearing status

Definitions

  • the present invention relates to a transmission sensor unit and a manual transmission and in particular to a transmission sensor unit for realizing angle-accurate, position-controlled switching operations in electrified drives with claw clutches.
  • FIG. 4 shows a conventional rotation sensor using two absolute rotary encoders 510, 520, with a first rotary encoder 510 detecting an angular position of a first rotary shaft 501 and a second rotary encoder 520 detecting an angular position of a second rotary shaft 502.
  • a torque is transmitted from the rotary motor 500 via the second drive shaft 502 and optionally switchable first clutch bodies 530 and second clutch bodies 540 to the first rotary shaft 501 and from there to a wheel 550.
  • a switching sleeve 535 is provided, which selectively couples the clutch bodies 530, 540 via axial displacements along the first rotary shaft 501.
  • the rotational positions determined by the rotary encoders 510, 520 can then be can be used to determine the most accurate tooth-to-gap position possible during a switching process and then to shift gears in response to this situation.
  • the disadvantage here is often the temperature and media compatibility, which is not always compatible with conventional sensor technology.
  • installation is often difficult.
  • the existing sensors are ultimately cost-intensive and require processing steps on the shafts or on the gearbox housing.
  • the present invention relates to a transmission sensor unit for a manual transmission.
  • the manual transmission includes a housing, a shift fork, a toothed shift sleeve and at least one toothed clutch body.
  • the switching sleeve and the at least one coupling body are rotatably mounted about a common axis of rotation and engage with one another during a switching process.
  • the transmission sensor unit includes: a first Hall sensor, a second Hall sensor, a sensor body and a fastening device.
  • the sensor body holds the first Hall sensor relative to the second Hall sensor axially and in the circumferential direction at predetermined positions.
  • the fastening device fastens the sensor body to the housing of the manual transmission or to the shift fork.
  • the attachment can be such that an angular position of the at least one coupling body can be detected by the first Hall sensor and an angular position of the toothed switching sleeve can be detected by the second Hall sensor.
  • the switching sleeve and the coupling body(s) are in particular a claw coupling for drives.
  • the drive can have a drive shaft and one or more output shafts, whereby the switching sleeve and the coupling body (s) can be rotatably or non-rotatably mounted relative to one of the shafts.
  • the rotations can in particular be carried out around a common axis of rotation.
  • the fastening device can include all means (eg threaded holes, rivets) that are able to hold or fix the sensor body.
  • the fastening device or the sensor body can have a permanent magnet which generates a magnetic field which is passed through the first Hall sensor and changed by rotating the switching sleeve in order to determine the angular position of the switching sleeve via the changed magnetic flux through the first Hall sensor.
  • exemplary embodiments therefore do not need a magnetic wheel, but only one magnet per Hall sensor for example, is arranged radially above the respective Hall sensor.
  • the Hall sensors used are sensors that are based on the Hall effect and can therefore detect any changing magnetic field that runs perpendicular to the direction of the current in the sensor.
  • other sensors can also be used in the same arrangement, which are able to detect the rotational movements via a change in the magnetic field.
  • the sensor body is designed to hold the first Hall sensor relative to the second Hall sensor at at least one of the following predetermined positions:
  • an offset in the circumferential direction e.g. approximately a distance between a tooth and a gap
  • the transmission sensor unit can include an evaluation unit that is designed to provide at least one of the following functions:
  • the sensor signals are in particular periodic signals, so that the angular offset results as a relative phase position.
  • the detected angular offset can be used to determine whether a tooth is opposite a gap (“tooth-on-gap position”).
  • the difference signal can be used if there is an offset in the predetermined positions (e.g. half the distance between two teeth).
  • the sum signal can be used if there is no offset in the predetermined positions.
  • the tooth-to-gap position there is already a phase offset of 18° in the periodic sensor signals due to the position of the Hall sensors.
  • the position without torque transmission occurs in particular when the teeth do not touch each other or there is an air gap between the teeth in the direction of rotation. Such an air gap changes the magnetic flux and can therefore be detected by the evaluation unit.
  • the toothed shift sleeve includes two opposing teeth.
  • the at least one clutch body can have a first clutch body, which is rotatably mounted on a first side of the shift sleeve, and a second clutch body, which is rotatably mounted on an opposite second side of the shift sleeve.
  • the transmission sensor unit further comprises: a third Hall sensor and/or a fourth Hall sensor and/or a further sensor body.
  • the further sensor body can hold the third Hall sensor axially and in the circumferential direction offset from one another relative to the fourth Hall sensor.
  • the fastening device can hold the further sensor body on the housing of the manual transmission or on the shift fork.
  • the holder can be such that an angular position of the second clutch body can be detected by the third Hall sensor and an angular position of the toothed shift sleeve relative to the second clutch body can be detected by the fourth Hall sensor.
  • the fastening device can be in one piece (monolithic) or in several parts, for example to fasten several sensor bodies separately.
  • the sensor body and/or the further sensor body is formed with at least one of the Hall sensors as an overmolded housing.
  • the overmolding can be carried out in such a way that complete protection of the at least one Hall sensor is achieved.
  • all Hall sensors can be molded together or individually.
  • At least one of the Hall sensors is designed to carry out a preliminary evaluation of the sensor signals.
  • the analog measurement signals can be converted into digital signals and then transmitted digitally to the evaluation unit.
  • At least one of the Hall sensors is powered via a cable or wirelessly.
  • at least one coil can be provided to wirelessly transmit energy to the transmission sensor unit. If the sensor unit is fixed to the shift fork, the power supply can be provided via a cable along the shift fork and the shift rod.
  • Exemplary embodiments also relate to a manual transmission, which is particularly suitable for electrified multi-speed drives.
  • the manual transmission includes a housing, a shift fork, a toothed shift sleeve and at least one toothed clutch body.
  • the shift sleeve and/or the at least one coupling body can be rotatably mounted about a common axis of rotation, with the shift sleeve being able to move in the axial direction along the axis of rotation during a switching operation in order to couple (i.e. mesh) with the at least one coupling body.
  • the manual transmission includes a transmission sensor unit as previously described.
  • the manual transmission further comprises a moving coil actuator which couples to the shift fork in order to bring about an axial displacement of the shift fork and thereby an axial displacement of the shift sleeve.
  • a moving coil actuator is a two-pole, non-commutated drive mechanism with a limited path or angle. It has high repeatability and positioning accuracy, a low electrical and mechanical time constant as well as high performance in relation to its mass and construction volume.
  • the at least one clutch body comprises a first clutch body and a second clutch body, wherein a fixation can be provided which holds the shift fork in at least three of the following predetermined axial positions:
  • the fixation can advantageously be achieved reliably via the moving coil actuator.
  • the coupling can therefore take place via toothing, whereby the switching sleeve and the coupling body (the first and/or the second coupling body) can be rotatable about a common axis of rotation R.
  • circumferential offset may be measured as an angle between rotatable objects, using teeth or gaps as a reference.
  • An axial offset therefore refers to a linear distance between the objects (i.e., which should be ensured when idling, for example).
  • the evaluation unit can directly receive a difference signal from, for example, two sine curves, since the angular offset (distance between tooth and gap) corresponds to a phase shift of i8o°.
  • the meshing of the teeth or, in general, the axial position can be determined via the periodicity of the sensor signal.
  • the teeth interlock for example, a doubling of the periodicity can be observed because there are then twice as many teeth.
  • Embodiments thus overcome the above-mentioned problems by, for example, mounting four Hall sensors on a shift fork, which directly sense a shift toothing of the dog clutch. This makes it possible to arrange the sensor elements in such a way that rapid signal processing is possible and the speed of the coupling body and the switching sleeve as well as the relative angular positions to one another (difference angle) can be determined from the sensor signals from two of these Hall sensors.
  • a clever signal analysis of a sensor can also be used to determine an axial position of the shift fork or shift sleeve.
  • Figs. 1A, 1B show a transmission sensor unit according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a further exemplary embodiment in which the switching sleeve comprises two teeth on opposite sides.
  • Fig. 3 shows a manual transmission according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 4 shows a conventional rotation sensor in manual transmissions.
  • the manual transmission includes a housing io (shown only schematically), a Shift fork 20 (not visible in Fig. 1A, see Fig. 3), a toothed shift sleeve 30 and at least one toothed clutch body 40.
  • the shift sleeve 30 and the clutch body 40 are together about an axis of rotation R (not shown in Fig. 1A, see Fig. 3) are rotatably mounted and interlock during a switching process.
  • the coupling body 40 can have several toothings 41, 42 which are used for torque transmission, of which one toothing 41 can be coupled to the shift sleeve 30 and another toothing 42 can be used to transmit torque to another shaft (not shown).
  • the switching sleeve 30 can, for example, be rotatably mounted together with a shaft about the axis of rotation R.
  • the switching sleeve 30 can also have a plurality of teeth 31, 32, which are designed, for example, opposite one another and enable coupling to several coupling bodies 40.
  • a claw clutch is generally a type of machine element for transmitting rotary movements or torques. It is one of the simplest designs of a clutch.
  • the transmission sensor unit includes a first Hall sensor 110, a second Hall sensor 120, which are housed in or on a sensor body 130, the sensor body 130 containing the first Hall sensor 110 and the second Hall sensor 120 in the axial and circumferential directions kept offset from each other.
  • the axial direction refers to the direction parallel to the axis of rotation R, while the circumferential direction extends along the angular direction of the rotatable switching sleeve 30 and coupling body 40.
  • 1B shows this arrangement enlarged in a plan view, with the toothing 41 of the clutch body 40 being shown enlarged on the left side and the toothing 31 of the shift sleeve 30 being shown enlarged on the right side.
  • the offset arrangement of the first Hall sensor 110 relative to the second Hall sensor 120 is chosen such that, as shown, the teeth point to the corresponding gaps between the teeth (tooth-on-gap position). Thus located one tooth is below the corresponding Hall sensor no.
  • the Hall sensors 110, 120 have no offset in the circumferential direction and would therefore be at the same height as shown in FIG. In this case, it is advantageous to use the sum signal when evaluating the signal in order to detect the tooth-to-gap position as a disappearing detection signal.
  • the tooth-to-gap position corresponds to a relative shift of half the periodicity of the toothing.
  • the axial offset of the Hall sensors 110, 120 along the horizontal direction in FIG Top view) of the teeth/gaps are located and not on the continuous section 43 on which no teeth are formed.
  • the Hall sensors 110, 120 can thus generate a periodic signal with maximum amplitude when decoupling the shift sleeve 30 from the clutch body 40.
  • the sensor body 130 is attached to the housing 10 of the manual transmission via a fastening device 140 (shown only schematically in FIG. 1A).
  • a fastening device 140 shown only schematically in FIG. 1A.
  • the sensor body 130 it is also possible for the sensor body 130 to be attached to a shift fork or to another element.
  • an evaluation unit 150 can be provided, which receives the sensor signals either via a wire connection or wirelessly.
  • the evaluation unit 150 can be accommodated entirely or partially within the sensor body 130 or the Hall sensors 110, 120 can be one include integrated evaluation, so that only evaluated signals are transmitted to an external control unit (e.g. digital).
  • the first Hall sensor no and/or the second Hall sensor 120 can also comprise permanent magnets, which are arranged, for example, in such a way that magnetic field lines from the sensor body 130 fall perpendicularly onto the toothing 31, 41 in order to produce a periodic change due to a past movement of the teeth in the magnetic field, which can be detected in the Hall sensors 110, 120 as a sensor signal.
  • the sensor body 130 can further comprise a circuit board 132 on which the exemplary Hall sensors 110, 120 are arranged and which can also hold the permanent magnets (e.g. on an opposite side).
  • the magnetic field can be generated by an axially magnetized permanent magnet.
  • phase, phase position, phase offset, etc. refer to the periodic signal(s) which are generated by the Hall sensors 110, 120 as a result of the periodically passing teeth.
  • the magnetic flux is influenced by the permeability of the claw clutch, so that the output voltages of the Hall sensors change, which can then be detected as a sensor signal.
  • the two Hall sensors 110, 120 can either be mounted as independent components in the transmission housing 10 or attached to the shift fork 20.
  • both Hall sensors 110, 120 could be attached to the gear from the outside. drives are mounted. For this purpose, only small changes would need to be made to the transmission housing io in order to enable the sensors no, 120 to be reached, while the accessibility of the claw clutch remains guaranteed.
  • an advantage of this embodiment is that the attachment to the transmission housing io can be used to form a signal transmission along the attachment (for example by laying a wire or a signal line). A power supply can also be achieved via the signal line or via another wire/line.
  • Fig. 2 shows a further exemplary embodiment in which the switching sleeve 30 comprises two teeth 31, 32 on opposite sides.
  • a first toothing 31 is provided in order to couple with the toothing 41 of a first clutch body 40 (e.g. when engaging a gear).
  • An opposite, second toothing 32 is provided on the shift sleeve 30 in order to alternatively couple the shift sleeve 30 to a second clutch body 45 (e.g. to engage a different gear).
  • the second clutch body 45 accordingly comprises a toothing 46, which can be coupled to the second toothing 32 of the shift sleeve 30, for example for torque transmission between the shift sleeve 30 and the second clutch body 45.
  • two Hall sensors 110, 120, 210, 220 are provided on each side of the shift sleeve 30 in order to determine the relative angular positions and/or the axial positions of the shift sleeve 30 in relation to the first clutch body 40 and in relation to the second clutch body 45 to sense.
  • this embodiment includes a third Hall sensor 210 and a fourth Hall sensor 220.
  • the third Hall sensor 210 and the fourth Hall sensor 220 are also in Arranged at predetermined positions (e.g.
  • the third Hall sensor 210 and the fourth Hall sensor 220 can therefore be designed in the same way as the first Hall sensor 110 and the second Hall sensor 120 and in particular also include permanent magnets, for example via a circuit board (in the 2) can be arranged in such a way that the magnetic flux of the permanent magnet is influenced by the toothing, which can be detected by the Hall sensors 210, 220.
  • the embodiment shown with two clutch bodies 40, 45 and a switching sleeve 30 arranged between them allows three switching positions: (i) a neutral position (seen in FIG. 2), where the switching sleeve 30 is neither connected to the first clutch body 40 nor to the second clutch body 45 couples; (ii) a first switching position where the switching sleeve 30 couples to the first clutch body 40 and (iii) a second switching position where the switching sleeve 30 couples to the second clutch body 45.
  • the first Hall sensor 110 senses the speed and the phase position of the first clutch body 40 (e.g. relative to the housing 10 or the shift fork 20).
  • the second Hall sensor 120 senses the speed and the phase position of the shift sleeve 30 (e.g. relative to the housing 10 or the shift fork 20). If the sensor body 130 is attached to the housing, it would also be sufficient if there was only one probe with two sensor elements, while in the further sensor body 230 only one sensor element (only the fourth Hall sensor 220) needs to be formed.
  • a sensor signal from the first or second Hall sensor 110, 120 can now be used to determine the axial position of the Switch sleeve 30 to be determined.
  • an amplitude of this sensor signal can be used.
  • the information about the phase position or the phase angle becomes worse over the insertion process, but this is irrelevant if the insertion processes are sufficiently fast (for example using a moving coil actuator).
  • the first Hall sensor 110 can detect the speed of the clutch body 40 and thus also that of the shift sleeve 30. According to exemplary embodiments, it is also possible to detect whether and in which system the dog clutch is located. For example, in a gear position, a difference angle can be determined by signal analysis, which can be used to design a gear without any load.
  • the sensor body 130 can be produced together with the first Hall sensor 110 and the second Hall sensor 120 by an overmolding process in which the sensors are completely overmolded with overmolding compound in order to provide a reliable seal and protection for the Hall sensors 110 , 120 to offer.
  • the overmolding compound does not influence the magnetic flux or only to the extent that it does not negatively influence the sensor signal. It is optionally possible for corresponding cable ends (e.g. for sensor signals and/or power supply) to be led out of the encapsulated body, or for the encapsulated body to have an integrated plug in order to establish a connection to the Hall sensors 110, 120, 210, 220.
  • the signal transmission and the signal analysis can be implemented as follows.
  • the analog signals from the Hall sensors 110, 120, 210, 220 can, for example, be forwarded analogously to a control unit (eg a transmission control unit) or the evaluation unit 150 and evaluated there. It is also possible for the Hall sensors 110, 120, 210, 220 to already generate digital signals and a pre-evaluation carry out so that only evaluated (e.g. digital) signals are transmitted. Because it is mounted from the outside, wiring to other control devices is also possible.
  • Fig. 3 shows a manual transmission according to an exemplary embodiment.
  • the manual transmission includes a first clutch body 40 and a second clutch body 45, between which the shift sleeve 30 is arranged.
  • the shift sleeve 30 is moved in the axial direction via a shift fork 20, the shift fork 20 being coupled to an actuator 60 via a shift rod 65.
  • the actuator 60 can, for example, be a moving coil actuator which is designed to cause an axial movement of the switching sleeve 30. This axial movement causes the shift sleeve 30 to couple either with the first clutch body 40 or with the second clutch body 45.
  • the first clutch body 40, the second clutch body 45 and the shift sleeve 30 are rotatably mounted about a common axis of rotation R.
  • the axis of rotation R can be given, for example, by an input or output shaft.
  • the exemplary moving coil actuator 60 is advantageous because it can ensure fast switching processes and precise position activation.
  • the sensor body 130 and the further sensor body 230 together with the first to fourth Hall sensors 110, 120, 210, 220 are fastened to the shift fork 20 via the fastening device 140 (see enlarged view on the right).
  • the same sensor units 110, 120, 210, 220 can be designed in mirror symmetry on both sides of the shift fork 20 and are fastened to the shift fork 20 together with a fastening device 140.
  • the double Hall sensors 110, 120 and/or the double Hall sensors 210, 220 can therefore advantageously be mounted together on the shift fork 20 if this is spatially possible - as shown in FIG. There are also several positions for this exemplary embodiment. In the neutral position, the position of the Hall sensors 110, 120 is equivalent to the embodiment in which the transmission sensor unit is attached to the housing io.
  • the Hall sensors no. 120 are displaced axially together with the shift fork 20.
  • the first Hall sensor 110 is pushed by a toothing of the claw clutch in an area 43 of the claw clutch in which no change in reluctance occurs because no teeth are formed in the area 43.
  • the resulting signal e.g. amplitude values
  • the (axial) position of the shift fork 20 can be deduced. This is advantageous for a position-controlled insertion process.
  • a favorable design of the claw coupling can specifically improve the signal quality. It is also possible, for example, for a targeted change in an air gap between the coupling body 40 and the switching sleeve 30 to be used via the switching path in the detection area.
  • the speed of the clutch body 40 and the shift sleeve 20 can be determined by analyzing the sensor signal of the second Hall sensor 120 and a difference angle between the clutch body 40 and the shift sleeve 30 can also be determined.
  • the switching sleeve sensor (fourth Hall sensor 220) of the second double Hall sensor 210, 220 in this embodiment it can still be recognized in which system the claw clutch is currently located.
  • the transmission sensor unit on the shift fork transmits the signal from a moving component (the shift fork 20) to a stationary component (for example the evaluation unit 150 or a control unit). If the distance is short, this can be achieved using cables. For this purpose, for example, cables can be laid along a shift rod 65 (connection between shift fork 20 and actuator 60) and the actuator 60. Alternatively or additionally, however, it is also possible to transmit the information via wireless communication be transmitted to the control unit. Digitization and signal evaluation then advantageously takes place before transmission (for example directly on the switching fork 20). The energy supply can be ensured, for example, via an inductive coupling using coils. Optionally, signal acquisition can be carried out together with the energy supply using passive or active transponder technology.
  • the shift fork 20 can be made of metal, often steel. However, in dedicated shifting systems with claw clutches, the forces are significantly lower, which is why the entire shift fork 20 can also be manufactured from plastic. Special sliding elements or other sliding bearings can be attached to the contact points of the switching sleeve 30. All Hall sensors 110, 120, 210, 220 and/or the evaluation electronics 150 can be completely encapsulated individually or together, which also ensures media compatibility with the lubricant.
  • actuator e.g. moving coil actuator

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Abstract

Es ist eine Getriebesensoreinheit für ein Schaltgetriebe offenbart. Das Schaltgetriebe umfasst ein Gehäuse (10), eine Schaltgabel (20), eine gezahnte Schaltmuffe (30) und zumindest einen gezahnten Kupplungskörper (40, 45). Die Schaltmuffe (30) und der zumindest eine Kupplungskörper (40, 45) sind um eine gemeinsame Drehachse (R) drehbar gelagert und greifen bei einem Schaltvorgang ineinander. Die Getriebesensoreinheit umfasst: einen ersten Hall-Sensor (110); einen zweiten Hall-Sensor (120) und einen Sensorkörper (130), der den ersten Hall-Sensor (110) relativ zu dem zweiten Hall-Sensor (120) axial und in Umfangsrichtung an vorbestimmte Positionen hält. Die Getriebesensoreinheit umfasst weiter eine Befestigungseinrichtung (140) zum Befestigen des Sensorkörpers (130) an dem Gehäuse (10) des Schaltgetriebes oder an der Schaltgabel (20), sodass eine Winkelstellung des zumindest einen Kupplungskörpers (40, 45) durch den ersten Hall-Sensor (110) detektierbar ist und eine Winkelstellung der gezahnten Schaltmuffe (30) durch den zweiten Hall-Sensor (120) detektierbar ist.

Description

Getriebesensoreinheit und Schaltgetriebe
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.
HINTERGRUND
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.
Fig. 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.
Die von den Drehgebern 510, 520 ermittelten Drehpositionen können dann ge- nutzt werden, um bei einem Schaltvorgang eine möglichst genaue Zahn-auf-Lü- cke-Position festzustellen und dann ansprechend auf diese Situation zu schalten. Nachteilig hierbei sind häufig die Temperatur- und Medien Verträglichkeiten, 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.
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.
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.
Daher besteht ein Bedarf nach Getriebesensoreinheiten, die insbesondere für Klauenkupplungen eingesetzt werden können und die die oben genannten Nachteile überwinden.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch eine Getriebesensoreinheit nach Anspruch i und ein Schaltgetriebe nach Anspruch 7 über- wunden. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Phasen versatz von 18 o° bei den periodischen Sensorsignalen vor.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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 (Engi.: „Voice Coil Actuator") ist ein zweipoliger nicht kommutierter Antriebsmechanismus mit limitiertem Weg oder Winkel. Er besitzt eine hohe Wiederholund Positioniergenauigkeit, eine niedrige elektrische und mechanische Zeitkonstante sowie eine hohe Leistung bezogen auf seine Masse und sein Bauvolumen. 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.
Die Fixierung kann vorteilhafterweise über den Tauchspulen-Aktor zuverlässig erreicht werden.
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.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann ein Versatz in Umfangsrichtung als ein Winkel zwischen drehbaren Objekten gemessen werden, wobei Zähne o- der 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 i8o° entspricht.
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. 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.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
Fign. 1A, 1B zeigen eine Getriebesensoreinheit nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der die Schaltmuffe zwei Verzahnungen auf gegenüberliegenden Seiten umfasst.
Fig. 3 zeigt ein Schaltgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 4 zeigt eine konventionelle Drehsensierung bei Schaltgetrieben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Fig. 1A zeigt eine Getriebesensoreinheit nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche für ein Schaltgetriebe vorgesehen ist. Das Schaltgetriebe umfasst ein Gehäuse io (nur schematisch dargestellt), eine Schaltgabel 20 (in Fig. 1A nicht zu sehen, siehe Fig. 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 Fig. 1A nicht dargestellt, siehe Fig. 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.
Somit zeigt Fig. 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.
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.
Fig. 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 no, 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.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen haben die Hall-Sensoren 110, 120 keine Versatz in der Umfangsrichtung und würden sich somit in der der Darstellung der Fig. 2 auf gleicher Höhe befinden. In diesem Fall ist es vorteilhaft bei der Signalauswertung das Summensignal zu nutzen, um die Zahn-auf-Lücke-Stel- lung als ein verschwindendes Detektionssignals zu detektieren. Die Zahn-auf- Lücke-Stellung entspricht nämlich eine relative Verschiebung um eine halbe Periodizität der Verzahnung.
Ebenso ist der axiale Versatz der Hall-Sensoren 110, 120 entlang der horizontalen Richtung in der Fig. 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.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sensorkörper 130 über eine Befestigungseinrichtung 140 an dem Gehäuse 10 des Schaltgetriebes befestigt (in Fig. 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.
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).
Der erste Hall-Sensor no 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 o° 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.
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.
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.
Bei dem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Befestigung an dem Getriebegehäuse 10 erfolgt, könnten beide Hall-Sensoren 110, 120 von außen an das Ge- triebe montiert werden. Hierzu bräuchten nur kleine Änderungen an dem Getriebegehäuse io vorgenommen zu werden, um die Erreichbarkeit der Sensoren no, 120 zu ermöglichen, wobei die Erreichbarkeit der Klauenkupplung gewährleistet bleibt.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Befestigung an dem Getriebegehäuse io 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.
Fig. 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.
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).
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 Fig. 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.
Die gezeigte Ausführungsform mit zwei Kupplungskörpern 40, 45 und einer dazwischen angeordneten Schaltmuffe 30 erlaubt drei Schaltstellungen: (i) eine Neutralstellung (in der Fig. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Fig. 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. Derbeispielhafte Tauchspulenaktor 60 ist vorteilhaft, da damit schnelle Schaltvorgänge und präzise Positionsaktivierung sichergestellt werden können.
In dem Ausführungsbeispielen der Fig. 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 Sensorein- heiten 110, 120, 210, 220 ausgebildet sein können und zusammen mit einer Befestigungseinrichtung 140 an der Schaltgabel 20 befestigt sind.
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 Fig. 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 io befestigt ist.
Beim Schaltvorgang werden die Hall-Sensoren no, 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.
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.
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 dem Steuergerät übertragen werden. 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.
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.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
BEZUGSZEICHENLISTE
IO 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 Aus werteeinheit
R Drehachse
500 E-Antrieb
501, 502 Wellen
510,520 Drehgeber
530,540 (konventionelle) Kupplungskörper
535 (konventionelle) Schaltmuffe

Claims

ANSPRÜCHE Getriebesensoreinheit für ein Schaltgetriebe, wobei das Schaltgetriebe ein Gehäuse (io), eine Schaltgabel (20), eine gezahnte Schaltmuffe (30) und zumindest einen gezahnten Kupplungskörper (40, 45) aufweist, wobei die Schaltmuffe (30) und der zumindest eine Kupplungskörper (40, 45) um eine gemeinsame Drehachse (R) drehbar gelagert sind und bei einem Schaltvorgang ineinandergreifen, die Getriebesensoreinheit umfasst: einen ersten Hall-Sensor (110); einen zweiten Hall-Sensor (120); einen Sensorkörper (130), der den ersten Hall-Sensor (110) relativ zu dem zweiten Hall-Sensor (120) axial und in Umfangsrichtung an vorbestimmte Positionen hält; und eine Befestigungseinrichtung (140) zum Befestigen des Sensorkörpers (130) an dem Gehäuse (10) des Schaltgetriebes oder an der Schaltgabel (20), sodass eine Winkelstellung des zumindest einen Kupplungskörpers (40, 45) durch den ersten Hall-Sensor (110) detektierbar ist und eine Winkelstellung der gezahnten Schaltmuffe (30) durch den zweiten Hall- Sensor (120) detektierbar ist. Getriebesensoreinheit nach Anspruch 1, wobei der Sensorkörper (130) ausgebildet ist, um den ersten Hall-Sensor (110) relativ zu dem zweiten Hall-Sensor (120) an zumindest einer der folgenden vorbestimmten Positionen zu halten:
- auf einer gleichen Winkelposition in der Umfangsrichtung;
- einen Versatz in der Umfangsrichtung;
- einen Versatz in axialer Richtung, wobei der Versatz einer Entkopplung der Schaltmuffe (30) und des zumindest einen Kupplungskörpers (40, 45) entspricht. - Getriebesensoreinheit nach Anspruch i oder Anspruch 2, die weiter eine Auswerteeinheit (150) umfasst, die ausgebildet ist, um zumindest eine der folgenden Funktionen bereitzustellen:
- Empfangen eines ersten Sensorsignals von dem ersten Hall-Sensor (110) und eines zweiten Sensorsignals von dem zweiten Hall-Sensor (120) und Bestimmen eines winkelmäßigen Versatzes zwischen dem zumindest einen Kupplungskörper (40, 45) und der Schaltmuffe (30) basierend auf einem Differenzsignal oder einem Summensignal zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal,
- Bestimmen einer axiale Position der Schaltmuffe (30) relativ zu dem zumindest einen Kupplungskörper (40, 45),
- Feststellen einer vollständige Kopplung der Schaltmuffe (30) und des zumindest einen Kupplungskörpers (40, 45),
- Feststellen eines Entkoppelns der Schaltmuffe (30) von dem zumindest einen Kupplungskörper (40, 45),
- Detektieren eines Spalt zwischen einer Verzahnung der Schaltmuffe (30) und einer Verzahnung des zumindest einen Kupplungskörpers (40, 45) basierend auf einer Deformation des Magnetfeldes, um so eine winkelmäßige Position ohne Drehmomentübertragung festzustellen. . Getriebesensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die gezahnte Schaltmuffe (30) zwei gegenüberliegende Verzahnungen aufweist und der zumindest eine Kupplungskörper (40, 45) einen ersten Kupplungskörper (40), der auf einer ersten Seite der Schaltmuffe (30) drehbar gelagert ist, und einen zweiten Kupplungskörper (45), der auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Schaltmuffe (30) drehbar gelagert ist, aufweist, wobei die Getriebesensoreinheit weiter Folgendes umfasst: einen dritten Hall-Sensor (210) und einen vierten Hall-Sensor (220), einen weiteren Sensorkörper (230), der den dritten Hall-Sensor (210) relativ zu dem vierten Hall-Sensor (220) axial und in Umfangsrichtung ans vorbestimmten Positionen hält, wobei die Befestigungseinrichtung (140) den weiteren Sensorkörper (230) an dem Gehäuse (10) des Schaltgetriebes oder an der Schaltgabel (20) hält, sodass eine Winkelstellung des zweiten Kupplungskörpers (45) durch den dritten Hall-Sensor (210) detektierbar ist und eine Winkelstellung der gezahnten Schaltmuffe (30) relativ zu dem zweiten Kupplungskörpers (45) durch den vierten Hall-Sensor (220) detektierbar ist. Getriebesensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkörper (130) und/oder der weitere Sensorkörper (230) mit zumindest einem der Hall-Sensoren (110, 120, 210, 220) als ein Umspritzgehäuse gebildet ist, um einen vollständigen Schutz des zumindest einen Hall-Sensors (110, 120, 210, 220) zu erreichen. Getriebesensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Hall-Sensoren (110, 120, 130, 140) ausgebildet ist, um eine Vorauswertung der Sensorsignale vorzunehmen. Getriebesensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stromversorgung von zumindest einem der Hall-Sensoren (110, 120, 130, 140) über ein Kabel oder kabellos erfolgt. Schaltgetriebe, insbesondere für elektrifizierte Mehrgangantriebe, mit einem Gehäuse (10), einer Schaltgabel (20), einer gezahnte Schaltmuffe (30) und zumindest einem gezahnten Kupplungskörper (40, 45), wobei die Schaltmuffe (30) und der zumindest eine Kupplungskörper (40, 45) um eine gemeinsame Drehachse (R) drehbar gelagert sind und bei einem Schaltvorgang die Schaltmuffe (30) sich in axialer Richtung parallel zur Drehachse (R) verschiebt, um mit dem zumindest einen Kupplungskörper (40, 45) ineinanderzugreifen, wobei das Schaltgetriebe eine Getriebesensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. 9- Schaltgetriebe nach Anspruch 8, welches weiter einen Tauchspulenaktor (60) aufweist, der an die Schaltgabel (20) koppelt, um eine axiale Verschiebung der Schaltgabel (20) und dadurch der Schaltmuffe (30) zu bewirken. 10. Schaltgetriebe nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der zumindest eine Kupplungskörper (40, 45) einen ersten Kupplungskörper (40) und einen zweiten Kupplungskörper (45) aufweist und eine Fixierung vorgesehen ist, die die Schaltgabel (20) in zumindest drei der folgenden vorbestimmten axialen Positionen hält: - in einer ersten Position, bei der eine Kopplung an den ersten Kupplungskörper (40) erfolgt,
- in einer zweiten Position, bei der eine Kopplung an den zweiten Kupplungskörper (45) erfolgt,
- in einer dritten Position, bei der weder eine Kopplung an den ersten Kupplungskörper (40) noch eine Kopplung an den zweiten Kupplungskörper (45) erfolgt.
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