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Title:
DEVICE COMPRISING AN ACTUATING ELEMENT OF A VARIABLE-SPEED GEARBOX
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/046219
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (1) comprising an actuating element (2) of a variable-speed gearbox, wherein the actuating element (2) is supported by means of at least one rolling element bearing unit (3) so as to be translatably movable at least in one movement direction (L), and wherein the rolling element bearing unit (3) is provided with a magnet sensor unit (4) for measuring the relative position between the actuating element (2) and a stationary part (5) of the rolling element bearing unit (3). In order to achieve a compact and stable arrangement that nevertheless permits correct determination of the position of the actuating element, the invention provides that the rolling element bearing unit (3) comprises a barrel (6) having at least one raceway (7) for rolling elements (8), wherein the barrel (6) is made of a metallic material that is not ferromagnetic.

Inventors:
KRÄMER, Klaus (Am Löhlein 5, Baudenbach, 91460, DE)
NEHMEYER, Thomas (Willibaldstraße 6, Nürnberg, 90491, DE)
Application Number:
EP2009/062738
Publication Date:
April 29, 2010
Filing Date:
October 01, 2009
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
KRÄMER, Klaus (Am Löhlein 5, Baudenbach, 91460, DE)
NEHMEYER, Thomas (Willibaldstraße 6, Nürnberg, 90491, DE)
International Classes:
F16C29/04; F16H59/70; F16H63/30; G01D5/14
Foreign References:
DE4136988A1
DE19925563A1
DE102007006322A1
DE102004060771A1
DE4208888A1
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Claims:

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1 ) umfassend ein Betätigungselement (2) eines Zahnräderwechselgetriebes, wobei das Betätigungselement (2) mittels mindestens einer Wälzlagereinheit (3) zumindest in eine Verschieberichtung (L) translatorisch verschieblich gelagert ist und wobei die Wälzlagereinheit

(3) mit einer Magnet-Sensor-Einheit (4) zur Erfassung der relativen Position zwischen dem Betätigungselement (2) und einem ortsfesten Teil (5) der Wälzlagereinheit (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlagereinheit (3) eine Laufhülse (6) mit mindestens einer Lauf- bahn (7) für Wälzkörper (8) aufweist, wobei die Laufhülse (6) aus einem metallischen, nicht ferromagnetischen Material besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Laufhülse (6) ein Stahlwerkstoff ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Laufhülse (6) bei 20 0 C ein austenitisches Gefüge aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ma- terial der Laufhülse (6) härtbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (9) der Magnet-Sensor-Einheit (4) im Bereich der axialen Erstreckung der Wälzlagereinheit (3) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (9) der Magnet-Sensor-Einheit (4) fest mit dem Betätigungselement (2) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (9) der Magnet-Sensor-Einheit (4) ringförmig ausgebildet ist und das Betätigungselement (2) umgreift.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnet-Sensor-Einheit (4) einen Hall-Sensor (10) umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lauf- hülse (6) eine ununterbrochene Struktur über ihren Umfang bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlagereinheit (3) ein Gehäuse (5) aufweist, das die Laufhülse (6) trägt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) aus Kunststoff besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) eine Aufnahmenut (11 ) für den Sensor (10) der Magnet- Sensor-Einheit (4) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang des Betätigungselements (2) mehrere Wälzkörper (8) zwischen dem Betätigungselement (2) und der Laufhülse (6) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (8) Kugeln sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (2) eine Schaltstange oder eine Schaltschiene ist.

Description:

Bezeichnung der Erfindung

Vorrichtung umfassend ein Betätigungselement eines

Zahnräderwechselgetriebes

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend ein Betätigungselement eines Zahnräderwechselgetriebes, wobei das Betätigungselement mittels min- destens einer Wälzlagereinheit zumindest in eine Verschieberichtung translatorisch verschieblich gelagert ist und wobei die Wälzlagereinheit mit einer Magnet-Sensor-Einheit zur Erfassung der relativen Position zwischen dem Betätigungselement und einem ortsfesten Teil der Wälzlagereinheit versehen ist.

Hintergrund der Erfindung

In Zahnräderwechselgetrieben werden üblicherweise Schaltelemente in Form von Schaltwellen, Schaltschienen oder Schaltstangen eingesetzt, die zumindest in eine translatorische Richtung, zusätzlich ggf. auch um eine Rotations- achse, verschieblich bzw. verdrehbar sein müssen. Hierfür werden Wälzlagerungen eingesetzt.

Im Zuge der Verbesserung des Schaltkomforts und der Schaltsicherheit ist es erforderlich, die genaue Position des Schaltelements zu ermitteln, um Funktio- nen wie z. B. den Start bzw. den Stopp des Motors zu automatisieren oder die Gangposition für spezielle Schaltstrategien zu verwenden.

Es ist dabei bekannt, für die Positionserkennung der Schaltelemente Sensoren einzusetzen. Die DE 197 51 519 A1 offenbart einen Linearsensor, der einen Magneten und einen Hall-Sensor umfasst, um die lineare Relativposition zwischen zwei Bauteilen detektieren zu können. Um das Magnetfeld nicht zu be- einträchtigen und somit das Messergebnis nicht zu verfälschen, ist bei dieser vorbekannten Lösung vorgesehen, dass die relevanten Tragelemente für die Sensorik aus Kunststoff bestehen.

In Zahnräderwechselgetrieben ist bereits bekannt, derartige Sensoren zur Po- sitionserfassung von Schaltelementen einzusetzen. Dabei werden zumeist berührungslose Magnetsensoren eingesetzt, wobei ein Magnet an einem Schaltelement (Schaltstange, Schaltschiene oder Schaltgabel) befestigt werden; über einen Sensor wird dann durch Messung der magnetischen Feldstärke der Schaltweg erfasst.

Die Magneten und Sensorelemente sind dabei als separate, nicht integrierte Elemente vorgesehen, da sie nicht im Bereich der Linearführung selber platziert werden können, da es im Bereich der aus Stahl bestehenden Bauteile der Linearführung zu einer Beeinflussung des magnetischen Feldes kommen wür- de. Vielmehr müssen die Sensorelemente außerhalb des Lagerungsbereichs angeordnet werden, was zu erhöhten Anforderungen an den zur Verfügung stehenden Bauraum führt.

Bei der Positionserkennung mittels Magnetfeldsensoren ist es also zwingend erforderlich, dass sich kein ferromagnetisches Bauteil im Luftspalt zwischen dem Positionsmagnet und dem Sensor befindet. Der Magnet, der sich ortsfest auf dem zu messenden Bauteil befindet, erzeugt ein Magnetfeld, dessen Stärke oder Richtung vom Sensor erfasst wird, aus dem sich die Position des Magneten bestimmen lässt und damit die Schaltposition berechnet werden kann.

Um eine hinreichende Genauigkeit der Messung zu gewährleisten bzw. überhaupt erst zu ermöglichen, muss also eine Beeinträchtigung der Magnetfeldstärke oder der vektoriellen Ausrichtung - wie sie beispielsweise durch die

Einbringung eines ferromagnetischen Material entsteht - verhindert werden. Aus diesem Grunde wäre die Integration einer Magnet-Sensor-Einheit in eine klassische Wälzlagerlineareinheit nur dann möglich, wenn die Wälzkörperlauffläche, d. h. die Laufhülse, durchbrochen wäre. Damit könnte der Sensor so weit in die Metallhülse eindringen, dass sich zwischen dem Magneten und dem Sensor kein störendes Element befindet.

Allerdings kommt eine solche Lösung deshalb nicht in Betracht, weil dadurch die Festigkeit der Laufhülse signifikant geschwächt würde.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass einerseits eine kompakte und stabile Bauweise erreicht wird, dass andererseits aber eine einwandfreie Ermittlung der Position des Betätigungselements ermöglicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlagereinheit eine Laufhülse mit mindestens einer Laufbahn für Wälzkörper aufweist, wobei die Laufhülse aus einem metallischen, nicht ferromagnetischen Material besteht. Das Material der Laufhülse ist dabei bevorzugt ein Stahlwerkstoff. Das Material der Laufhülse weist dabei mit Vorteil bei 20 0 C ein austenitisches Gefüge auf. Ferner ist das Material der Laufhülse bevorzugt härtbar.

Der Magnet der Magnet-Sensor-Einheit ist zwecks Erhalts einer kompakten Bauweise bevorzugt im Bereich der axialen Erstreckung der Wälzlagereinheit angeordnet.

Der Magnet der Magnet-Sensor-Einheit kann dabei fest mit dem Betätigungselement verbunden sein. Er kann ringförmig ausgebildet sein und das Betätigungselement umgreifen.

Die Magnet-Sensor-Einheit umfasst bevorzugt einen Hall-Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor.

Die Laufhülse hat zwecks Erhalts einer stabilen und steifen Struktur bevorzugt eine ununterbrochene Struktur über ihren Umfang.

Die Wälzlagereinheit kann ein Gehäuse aufweisen, das die Laufhülse trägt. Das Gehäuse besteht dabei vorzugsweise aus Kunststoff. Es kann eine Aufnahmenut für den Sensor der Magnet-Sensor-Einheit aufweisen.

über den Umfang des Betätigungselements können mehrere Wälzkörper zwischen dem Betätigungselement und der Laufhülse angeordnet sein. Bei den Wälzkörpern handelt es sich vorzugsweise um Kugeln.

Das Betätigungselement ist zumeist eine Schaltstange oder eine Schaltschie- ne.

Durch die Verwendung des besonderen Materials für die Laufhülse wird eine kompakte Einheit für das Schaltelement geschaffen, die es ermöglicht, trotz des benötigten Stahlwerkstoffs für die Laufhülse die Positionserkennung mittels der Magnetsensorik durchzuführen, ohne dass die Sensoreinheit die Laufhülse körperlich durchdringen muss und damit schwächt, um das Magnetfeld der Positionsmagneten zu erfassen.

Als Material für die Laufhülse wird kein Wälzlagerstahl oder sonstiges konven- tionelles Material verwendet, sondern die Laufhülse wird aus einem nicht fer- romagnetischen Material gefertigt.

Dadurch, dass auf der Laufhülse die Wälzkörper unter Last abrollen, muss diese eine gewisse Mindestoberflächenhärte aufweisen. Die Verwendung von Kunststoff oder auch von Leichtmetall (Aluminium) als nicht bzw. nur gering ferromagnetischem Material als Hülsenwerkstoff scheidet daher aus.

Daher muss für die Laufhülse Stahl verwendet werden, der sein austenitisches Gefüge bei Raumtemperatur besitzt und damit nicht ferromagnetisch ist. Zudem soll das Material oberflächenhärtbar sein, um die notwendige Härte für den Anlauf der Wälzkörper zu haben. Solch ein Stahl ist als Sonderstahl für Spezi- allager bekannt.

Durch die Verwendung einer solchen nicht ferromagnetischen, oberflächenhärtbaren Laufhülse ist es möglich, den Sensor außerhalb der Hülse zu platzieren, da die Magnetfelder die Hülse durchdringen und den Sensor unbeeinflusst erreichen können.

Der Magnet kann auch als Ringmagnet ausgeführt werden, so dass kein gerichteter Einbau (Zuordnung des Sensors zum Magnet) nötig ist.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung bestehen also zunächst in der Integration der Positionssensorik in die Wälzlagereinheit, was durch die Verwendung eines nicht ferromagnetischen, oberflächenhärtbaren Stahls für die Laufhülse erreicht wird.

Weiterhin wird die Anordnung der Magnetsensorik radial außerhalb der Laufhülse möglich, beispielsweise eingebettet in das Trägergehäuse, das aus einem Kunststoff bestehen kann.

Hierdurch wird eine sehr kurze und kompakte Bauweise erreicht.

Es sind weiterhin keine Durchbrüche in der Laufhülse nötig, um die Magnetfelderfassung der Sensorik zu ermöglichen. Daher ergibt sich keine mechanische Schwächung der Laufhülse.

Kurze Beschreibung der Figuren

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Betätigungselement in Form einer

Schaltstange, die in einer Wälzlagereinheit längsbeweglich gelagert ist, in der Seitenansicht im Schnitt A-B gemäß Fig. 2 und

Fig. 2 die Vorrichtung in der Vorderansicht im Schnitt C-D gemäß Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Figuren

In den Figuren ist eine Vorrichtung 1 zu sehen, die Bestandteil eines Zahnräderwechselgetriebes ist. Die Vorrichtung umfasst ein Betätigungselement 2 in Form einer Schaltstange, die in eine Verschieberichtung L verschiebbar gelagert ist. Hierzu dient eine Wälzlagereinheit 3 in Form eines Linearlagers. Die Wälzlagereinheit hat - wie die Zusammenschau der Figuren 1 und 2 zeigt - eine Laufhülse 6, die über den Umfang verteilt (s. Fig. 2) vier Laufbahnen 7 für Wälzkörper 8 in Form von Kugeln aufweist. Der Umfang der Schaltstange 2 hat korrespondierende Laufbahnen 12 zum Anlauf der Kugeln 8.

Die Laufhülse 6 ist in einem Kunststoffgehäuse 5 untergebracht, die einen ort- festen Teil der Wälzlagereinheit darstellt.

Die Vorrichtung 1 soll es ermöglichen, die relative Position zwischen dem Betätigungselement 2 und dem ortsfesten Teil 5 (Gehäuse) der Wälzlagereinheit festzustellen, und zwar in einer solchen Weise, dass eine kompakte und steife Bauweise der Vorrichtung sichergestellt wird.

Zur Positionsermittlung ist die Vorrichtung mit einer Magnet-Sensor-Einheit 4 ausgestattet. Die Einheit umfasst einen (Permanent-)Magneten 9 und einen

Sensor 10; bei dem Sensor handelt es sich um einen Sensor auf Hall-Basis oder einen magnetoresistiven Sensor. Hall-Sensoren erzeugen eine Hallspannung im Magnetfeld, abhängig von der Magnetfeldstärke. Magnetoresistive Sensoren verändern ihren Widerstand abhängig von der Magnetfeldrichtung.

Der Sensor 10 ist in einer Aufnahmenut 11 im Gehäuse 5 untergebracht. Der Sensor 9 ist - wie Fig. 1 zeigt - in einem Bereich an dem Betätigungselement 2 befestigt, der innerhalb der axialen Erstreckung der Laufhülse 6 liegt.

Damit trotz des über den Umfang unterbrechungsfreien Aufbaus der Laufhülse 6 keine Störung des magnetischen Feldes des Magneten 9 stattfindet, ist vorgesehen, dass die Laufhülse 6 aus einem metallischen, nicht ferromagneti- schen Material besteht. Es handelt sich dennoch um einen Stahlwerkstoff, der eine Oberflächenhärtung zulässt. Solche Stähle sind im Speziallageerbau be- kannt und zeichnen sich dadurch aus, dass bei 20 0 C ein austenitisches Gefüge im Material vorliegt.

Vorgesehen ist hierbei also ein härtbarer, amagnetischer Werkstoff, dessen austenitisches Gefüge dafür sorgt, dass das Material nicht ferromagnetisch ist. Solche Werkstoffe sind hochgegiert, beispielsweise handelt es sich um X5 CrNi 1810. Diese Stähle werden beispielsweise in Kugellagern in Kernspintomographen verwendet. Durch ein spezielles Härteverfahren wird das austeniti- sche Gefüge beim Härten beibehalten. Normale, härtbare Stähle sind dem gegenüber ferromagnetisch, weil sie eine andere Gefügestruktur haben. Nicht ferromagnetische Stähle, wie beispielsweise Edelstahl, sind indes nicht härtbar.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Betätigungselement (Schaltstange / Schaltschiene)

3 Wälzlagereinheit (Linearlager)

4 Magnet-Sensor-Einheit

5 ortsfester Teil (Gehäuse) 6 Laufhülse

7 Laufbahn

8 Wälzkörper (Kugel)

9 Magnet der Magnet-Sensor-Einheit

10 Sensor der Magnet-Sensor-Einheit (Hall-Sensor) 11 Aufnahmenut

12 Laufbahn

L Verschieberichtung