Schaltanordnung zur Erfassung eines Schaltwegs in einem

Kraftfahrzeuggetriebe

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Erfassung eines Schaltwegs in einem Kraftfahrzeuggetriebe. Eine derartige Schaltanordnung soll die Positionsbestimmung eines Schaltelements ermöglichen, wodurch Schaltvorgänge einfach und genau gesteuert und überwacht werden können. Hintergrund der Erfindung

Durch das Aufkommen automatisierter Schaltgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe ist die Erfassung einer Schaltmuffenstellung und damit des Schaltwegs notwendig geworden. Insbesondere in Schaltanordnungen zum Schalten von Gangstufen eines automatisierten Stufengetriebes ist es wichtig, dass die Position eines Schaltelements genauestens erfasst wird. Allgemein können hierzu verschiedene Wege eingeschlagen werden.

DE 10 2006 02 87 85 B3 offenbart eine berührungslose Methode zur Erfassung eines Schaltwegs in Form einer Anordnung mit einem Sensor und einer Anzahl von Positionsgebern an einem als Schaltstange ausgebildeten Schaltelement. Die Positionsgeber sind durch zwei Permanentmagnete gebildet, die auf einem gemeinsamen Blech angeordnet sind und formschlüssig über eine Ausneh- mung mit einem an der Schaltstange ausgebildeten Vorsprung zusammenwirken. Somit sind die Positionsgeber präzise zur Schaltstange positioniert. Die Anordnung der Positionsgeber ist insgesamt so ausgeführt, dass die Positionsgeber den gehäusefest im Getrieberaum angeordneten Positionssensoren ge- genüberliegen. Mittels der Positionssensoren kann die Position der Schaltstange ermittelt werden.

Bei einer Anordnung gemäß der DE 10 2006 02 87 85 B3 ist allerdings die Verwendung von Magneten unerlässlich, die mit den Positionssensoren zur Erfassung der Position eines Schaltelements dienen. Die Verwendung eines Magneten bringt jedoch Probleme, wie beispielsweise temperaturbedingte Messungenauigkeiten oder Metallabrieb im Getriebe mit sich, wodurch die Lagerung und die reibungsfreie Bewegung eines Schaltelements behindert wer- den können. Die Magneten bedürfen ferner einer genauen Positionierung, so dass in der Regel eine Kalibrierung der Anordnung erforderlich ist.

DE 10 2007 044 425 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Lageerfassung einer Schaltgabel, wobei die Schaltgabel sich in einem Hochfrequenzfeld bewegt und dieses mittels eines Bedämpfungselements verändert. Die Veränderung des Hochfrequenzfeldes führt zur Verstimmung eines Schwingkreises, dessen Frequenzveränderung detektierbar ist. Die Vorrichtung erfordert speziell ange- passte Schaltgabeln und benötigt für jede Schaltgabel einen separaten Schwingkreisdetektor.

Aufgabe der Erfindung

Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltanordnung zur Messung eines Schaltwegs anzugeben, welche unter der Maßgabe einer möglichst einfachen Realisierbarkeit eine möglichst genaue Bestimmung der Gangpositionen erlaubt.

Lösung der Aufgabe Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 . Demnach weist die Schaltanordnung zur Erfassung eines Schaltwegs in einem Kraftfahrzeuggetriebe ein sich in einer axialen Richtung erstreckende und axial verschiebbare oder verdrehbare Schaltschiene, einen Wirbelstromsensor zur Erfassung der axialen Position der Schaltschiene und eine die Messwerte des Wirbelstromsensors beeinflussendes Messelement auf, das auf oder an der Schaltschiene angeordnet ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass generell durch die Verwendung von berührungslosen Sensoren die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Detektierung eines Schaltelements erhöht werden kann. Als Sensor zur berührungslosen Erfassung der Position der Schaltschiene wird ein Wirbelstromsensor verwendet. Der Wirbelstromsensor ist dabei bezüglich der Schaltschiene so angeordnet, dass er deren Position in axialer Richtung erfasst. Durch die Integration eines die Messwerte des Wirbelstromsensors beeinflus- sendes Messelement wird erreicht, dass mit einem Wirbelstromsensor sicher alle Positionen der Schaltschiene detektierbar sind und bei geschickter Auswahl und Anordnung des Messelements für alle Schaltstellungen lediglich ein Wirbelstromsensor erforderlich ist. Wirbelstromsensoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie zur Messung keine Magnete benötigen und auch unter problematischen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise bei Anwesenheit starker Magnetfelder, bei hohen Temperaturen und bei einem relativ hohen Verschmutzungsgrad noch eine akzeptable Messgenauigkeit zeigen. Aufgrund der berührungslosen Erfassung ist kein mechanischer Kontakt zwischen einzelnen Getriebekomponenten nötig, so dass ein verschleißfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Auf die Verwendung von Magneten an der Schaltschiene kann gänzlich verzichtet werden. Dadurch ist eine flexibleres Getriebedesign möglich, da eine Trennung des metallpartikelhaltigen Öls von dem Sensor nicht mehr erforder- lieh ist.

Durch die Nutzung eines Wirbelstromsensors kann auch unter erschwerten Bedingungen noch eine relativ hohe Messgenauigkeit erreicht werden. Hierbei kann insbesondere diese Genauigkeit ausgenutzt werden, um sicher und einfach die Schaltstellung in einem Kraftfahrzeuggetriebe zu erfassen. Eine Schaltanordnung mit einem Wirbelstromsensor zur Erfassung eines Schaltwegs bietet also eine verschleißfreie und sehr genaue Messmethode zur Be- Stimmung der Position eines Schaltelements an, die den hohen Anforderungen gerecht wird.

Das Prinzip der Wirbelstrommessung beruht auf der Detektion der Rückwirkung von Wirbelströmen. Hierbei werden durch ein sich änderndes Magnetfeld in einem elektrischen Leiter Wirbelströme induziert, die wiederum den Aufbau eines der Wirkung entgegen gerichteten magnetischen Feldes verursachen. Während eines Schaltvorgangs bewegt sich beispielsweise das Schaltelement zwischen zwei Positionen, die jeweils einer Schaltstellung entsprechen. Um eine Schaltposition bestimmen zu können, muss der Wirbelstromsensor somit die beiden Positionen des Schaltelements detektieren. Dazu genügt im einfachsten Fall die Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, gegenüber dem das Schaltelement seine Lage verändert. Üblicherweise wird jedoch durch den Wirbelstromsensor ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches geschwächt wird, wenn sich ein leitendes Messelement oder Target in der Nähe befindet. In dem Messelement werden durch das Wechselfeld Wirbelströme erzeugt, die das Magnetfeld schwächen. Diese Schwächung ist messbar und abhängig vom Abstand zwischen Wirbelstromsensor und Target. Beispielsweise kann das magnetische Wechselfeld mittels eines elektromagnetischen Schwingkreises erzeugt werden. Diesem wird durch die Schwächung des Mag- netfeldes messbar Energie entzogen.

Die Begriff Schaltschiene umfasst sowohl verdrehbare Schaltwellen wie zusätzlich oder ausschließlich axial bewegliche Schaltstangen. Die Schaltschiene ist üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Insofern kann sie unmittelbar und ohne weitere Hilfsmittel als Target für den Wirbelstromsensor verwendet werden. Zur Durchführung von Schaltvorgängen ist ein solches Schaltelement innerhalb eines Getriebes und insbesondere in der Schalteinheit beweglich gehaltert. Üblicherweise ist hierbei ein axiales Ende der Schaltschiene in einer Lagereinheit gelagert. Zur Lagerung ist beispielsweise ein ne in einer Lagereinheit gelagert. Zur Lagerung ist beispielsweise ein Wälzlager oder ein Gleitlager vorgesehen. Die Lagereinheit mit dem gelagerten Schaltelement ist dabei in ein Getriebegehäuse eingesetzt. Die Querschnittskontur der Schaltschiene kann rund sein. Alternativ ist sie als eine Schaltschiene im engeren Sinne mit einem von einem Kreis abweichenden, eher flachen Querschnitt ausgebildet. Üblicherweise ist eine Schaltschiene aus einem Blech gefertigt. Zur Fertigung bieten sich bekannte und einfach zu handhabende Fertigungsprozesse, wie beispielsweise ein Ausstanzen an. Durch die Ausgestaltung des Schaltelements als eine Schaltschiene kann insbesondere eine für den Wirbelstromsensor vorteilhafte Formgebung für die Positionserfassung leicht vorgenommen werden.

Zur Abstandsmessung mittels eines Wirbelstromsensors ist, wie ausgeführt, ein elektrisch leitendes Target erforderlich. Ein solches Target oder Messelement ist in einer Ausführungsform separat gefertigt und an der Schaltschiene befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise durch eine Klebung oder ein Aufschrauben erfolgen. Durch ein solches separates Messelement kann insbesondere auf die Anforderungen des Wirbelstromsensors Rücksicht genommen werden. Das Messelement ist spezifisch an den eingesetzten Wirbelstromsensor anpassbar. Mit einem separaten Messelement muss hierbei nicht auf die spezifischen Anforderungen eingegangen werden, die die Schaltschiene als solche erfüllen muss. Vorteilhafterweise ist die Schaltschiene jedoch bereits aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Stahl, gefertigt und kann daher selbst als Messelement verwendet werden. Durch die Ausbildung der Schaltschiene als Messelement vereinfacht sich die Schaltanordnung erheblich. Der Montageaufwand ist nicht unerwünscht durch das Befestigen und Positionieren eines separaten Messelements erschwert. Auch kann der Platzaufwand gering gehalten werden. In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltschiene mit einer in Richtung auf den Wirbelstromsensor geneigten Rampenkontur ausgebildet. Die Rampenkontur ist insbesondere an der Stelle des Schaltelements ausgebildet, an welcher der Wirbelstromsensor in Wirkverbindung mit dem Schaltelement steht. Durch die Neigung der Rampenkontur gegenüber dem Wirbelstromsensor verändert sich bei einer axialen Verschiebung der Abstand zwischen der Schaltschiene und dem Wirbelstromsensor. Durch diese radiale Abstandsänderung kann die axiale Position des Schaltelements mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Über die definierte Rampe lässt sich ein Bezug zwischen dem über den Wirbelstromsensor gemessenen Radialabstand und der axialen Position der Schaltschiene ermitteln. Insbesondere ist hierzu eine Rame mit einer konstanten Steigung vorgesehen. Alternativ werden vorhandene Einbaugeometrien oder Schaltpositionen über eine spezifische Rampenkontur mit verschiedenen Neigungen berücksichtigt. Eine Schaltschiene mit Rechteckquerschnitt kann direkt und mit relativ geringem Fertigungsaufwand mit einer entsprechend geneigten Rampenkontur gefertigt werden.

Alternativ ist das Messelement separat gefertigt und mit der Schaltschiene zumindest drehfest verbunden. Ein Verzug der Schaltschiene durch das Befesti- gen des Messelements tritt aufgrund der relativ großen Masse der Schaltschiene nicht auf. In einer Weiterbildung ist das Messelement auf einer separate Komponente wie eine Schalthülse angeordnet, die ihrerseits auf der Schaltschiene verpresst oder verschweißt ist. Die Schalthülse nimmt vorteilhafterweise als eine Multifunktionshülse mehrere Funktionen wahr. So kann sie Schalt- finger, Schaltführungen und Rastierkonturen aufweisen. Eine derartige Schalthülse kann kostengünstig aus Blech oder Kunststoff gefertigt werden, und die Schaltschiene bleibt frei von Nachbearbeitungen.

Grundsätzlich kann der Wirbelstromsensor entlang des gesamten Schaltele- ments angeordnet sein. Bevorzugt ist der Wirbelstromsensor aber an einem durch die Schaltschiene und ihre Lagerung gebildeten Schaltdom positioniert. Durch eine Anordnung des Wirbelstromsensors in unmittelbarer Nähe zur La- gerung bzw. zur Gassenführung wird der Messfehler bei der Erfassung der axialen Position des Schaltelements gering gehalten.

Zu einer möglichst einfachen Positionierung ist der Wirbelstromsensor vorteil- hafterweise an der Schalteinheit befestigt. Damit wird die Position zwischen dem Wirbelstromsensor und der Schaltschiene während der Montage beider Komponenten bereits eindeutig festgelegt. Insbesondere ist die Positionierung der beiden Komponenten zueinander schon vor einem Einbau der Schalteinheit in einem Getriebe erzielt. Idealerweise sind hierbei die Schalteinheit und die Messsensorik in einem gemeinsamem Gehäuse integriert, so dass die Baugruppe als Modul ins Getriebe eingebracht werden kann. Dem Kunden wird hierdurch die Montage erheblich erleichtert.

In einer Ausbildung der Erfindung ist das Messelement als ein Blechformteil ausgebildet, das einen konstanten Querschnitt aufweist. Durch Umformtechnik wird eine Kontur in das Blech eingebracht, die in unterschiedlichen Schaltstellungen einen jeweils definierten Abstand zum Wirbelstromsensor aufweist. Die Veränderung des Schwingkreises erfolgt somit durch die geometrische Nähe des Messelements.

In einer weiteren Ausbildung weist das Messelement eine lokal unterschiedliche Dicke auf. Beispielsweise kann durch spanabhebende Bearbeitung Material entfernt werden, so dass je nach Ausrichtung zum Sensor das Messelement beim Schalten zusätzlich oder allein aufgrund seiner variierenden Materialstär- ke das Hochfrequenzfeld verändert.

In einer weiteren Ausbildung ist das Messelement aus verschiedenen Materialien aufgebaut. So können sich Abschnitte aus Kunststoff mit solchen aus Aluminium bzw. Stahl abwechseln, um beispielsweise relativ diskrete Änderungen zu detektieren. Ebenfalls vorgesehen ist die Verwendung von metallpartikelhal- tigem Kunststoff. In einer Variante der Erfindung dient das Messelement zusätzlich als Rastelement einer Schaltarretierung. Mittels einer gegen ein Rastelement vorgespannten Schaltarretierung werden die einzelnen Gangstufen festgelegt, und ein Herausspringen des Ganges verhindert. Eine Integration durch mehrfache Ver- wendung der Rastkontur spart Bauteile und Bauraum ein.

Ebenfalls vorgesehen ist, dass der Wirbelstromsensor so am Schaltdom oder am Getriebegehäuse angeordnet ist, dass er alle Gangstufen und insbesondere die Neutralstellung detektieren kann. Bei einer Zentralschaltwelle wirkt er mit einem an oder auf der Schaltwelle angeordneten Messelement zusammen. Sind mehrere Schaltschienen vorgesehen, ist jede mit einem eigenen Messelement ausgestattet, das die aufgenommenen Messwerte beeinflussen kann. Bei einer derartigen Anordnung ist es ausreichend, einen relativ teuren Wirbelstromsensor zu verwenden. Insbesondere wenn es allein auf die Erfassung der Neutralstellung ankommt, ist es möglich, diese auf einfache Weise dadurch zu erfassen, dass das Hochfrequenzfeld durch kein Messelement verstimmt ist, so dass eine derartige Anordnung einfach und kostengünstig zu realisieren ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine schematische Schaltanordnung mit einer Lagereinheit, einer Schaltschiene und einem Wirbelstromsensor,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung mit einer ein Messelement aufweisenden Schalthülse und einem Wirbelstromsensor,

Fig 3 einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 2, Fig. 4 ein erstes Messelement mit einem Wirbelstromsensor

Fig. 5 ein zweites Messelement Fig. 6 ein drittes Messelement.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Schaltanordnung 1 mit einer Lagereinheit 3. In der Lagereinheit 3 ist eine sich in einer axialen Richtung 4 erstreckende Schaltschiene 5 gelagert. Im Bereich der Lagereinheit 3 ist die Schaltschiene 5 mit ihrem einen axialen Ende in axialer Richtung 4 verschiebbar gehalten. Im Rahmen eines Schaltvorgangs kann die Schaltschiene 5 innerhalb der Lagereinheit 3 über eine Distanz von einigen Millimetern bis Zentimetern in axia- ler Richtung 4 bezüglich der Neutralstellung bewegt werden. Die Schaltanordnung 1 ist zur Erfassung eines axialen Schaltwegs dieser Schaltschiene 5 ausgelegt.

Zur Erfassung der axialen Position der Schaltschiene 5 ist an der Lagereinheit 3 ein Wirbelstromsensor 9 befestigt. Der Wirbelstromsensor 9 ist bezüglich der Schaltschiene 5 so angeordnet, dass er einen Positionsversatz der Schaltschiene 5 in axialer Richtung 4 erfassen kann. Durch die Anbindung des Wirbelstromsensors 9 an die Lagereinheit 3 sind nach dem Einsetzen der Schaltschiene 5 der Wirbelstromsensor 9 und die Schaltschiene 5 fest zueinander positioniert. Eine aufwändige Ausrichtung zur Kalibrierung des Sensors 9 ist nicht notwendig. Aufgrund der axialen Lagerung der Schaltschiene 5 in der Lagereinheit 3 gibt es an dieser Stelle keine Bewegungen der Schaltschiene 5 in radialer Richtung. Die erzielbare Messgenauigkeit wird insofern durch solche, beispielsweise bei einem Schaltvorgang auftretende Auslenkungen nicht beeinflusst.

Die Schaltschiene 5 ist mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet und besteht aus einem leitfähigen Stahl. Sie ist selbst als ein Messelement oder Target für den Wirbelstromsensor 9 ausgebildet. Zu einer genauen Erfassung der axialen Position ist die Schaltschiene 5 entlang der axialen Richtung 4 mit einer definierten Rampenkontur 1 1 einer konstanten Steigung ausgestaltet. Die Rampe ist hierzu in axialer Richtung 4 gegenüber dem Wirbelstromsensor 9 geneigt. Mit anderen Wort wird die Rampenkontur 1 1 durch den Wirbelstromsensor 9 erfassbar. Bei einer axialen Verschiebung der Schaltschiene 5 verändert sich aufgrund der Neigung der Rampenkontur 1 1 der radiale Abstand 13 zwischen den beiden Komponenten. Durch diese messbare Abstandsänderung wird eine hohe Messgenauigkeit des axialen Versatzes der Schaltschiene 5 erzielt. Über die Neigung der Rampenkontur 1 1 ist eine Umrechnung des mittels des Wirbelstromsensors 1 1 gemessenen radialen Abstands 13 zur Schaltschiene 5 in deren axiale Position möglich.

Die Lagereinheit 3 umfasst ein Wälzlager 15 mit als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern 17. Das Wälzlager 15 dient der axialen Lagerung der Schaltschiene 5. Die käfiggeführten Kugeln laufen innen auf einem an der Schaltschiene 5 angebrachten Innenblech 18 und außen in einer kreisrunden Zylinderhülse 19, welche in einer Bohrung der Lagereinheit 3 steckt. Ein solches Wälzlager 15 ermöglicht einen guten Wirkungsgrad aufgrund einer geringen Lagerreibung und erhöht damit den Schaltkomfort, da es für eine sehr leichtgängige Längsführung der Schaltschiene 5 sorgt. Das Wälzlager 15 bietet eine geringe und nahezu lastunabhängige Reibung.

Der Wirbelstromsensor 9 ist mit einem Stecker 20 zur Energieversorgung und zum Messabgriff versehen. Um den Stecker 20 vor Verschmutzungen, zum Beispiel durch Öl, zu schützen, ist dieser aus der Lagereinheit 3 nach vorne herausgezogen. Nach dem Einbau des gesamten Moduls in ein Getriebegehäuse 27 ist der Stecker 20 außerhalb der Lagerung angeordnet. Auf diese Weise kann der Wirbelstromsensor 9 zudem leicht von außen kontaktiert wer- den.

Der Wirbelstromsensor 9 erzeugt vorliegend ein magnetisches Wechselfeld über einen elektromagnetischen Schwingkreis. Dieses Feld wird durch die Schaltschiene 5 geschwächt. In der Schaltschiene 5 werden Wirbelströme erzeugt, die dem Schwingkreis Energie entziehen. Diese Energieänderung ist messbar und abhängig vom Abstand zwischen dem Wirbelstromsensor 9 und der Schaltschiene 5. Vorliegend wird dabei der radiale Abstand 13 zwischen dem Wirbelstromsensor 9 und der Rampenkontur 1 1 erfasst und in eine axiale Position der Schaltschiene 5 umgerechnet.

Figuren 2 und 3 zeigen eine Schalthülse 2, die mit einer nicht dargestellten Schaltschiene fest oder drehfest verbindbar ist. Sie kann beispielsweise ver- stemmt, verpresst oder verschweißt sein. Die Schalthülse 2 ist als Multifunkti- onshülse ausgebildet und trägt neben dem Messelement 21 weitere Schaltelemente wie einen Schaltfinger 6, eine Gassenführung 7, die in der Nähe des Messelements 21 angeordnet ist und eine Rastkontur 8 zum Verrasten mit einer nicht dargestellten Schaltarretierung. Durch ihre im Vergleich zur Schalt- schiene größeren Mantelfläche lassen sich die Bauteile 6, 7, 8, 21 auf einfache Weise anordnen, ohne dass die Schaltschiene geschwächt wird.

Verschiedene Messelemente 21 sind in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt. Das Messelement 21 nach Figur 4 ist aus Aluminiumblech als Stanzprägeteil mit einer Rampenkontur 1 1 geformt. Längs der Wählrichtung weist die Rampenkontur 1 1 eine in Wählrichtung verlaufende und auf den Wirbelstromsensor 9 ausgerichtete Erhebung 10 auf, die die Neutralgasse markiert. Die Erhebung 10 geht relativ scharfkantig in radial tiefer gelegene Bereiche 12, 14 über, um eine sichere Erkennung zu gewährleisten, sobald ein Schaltvorgang in Um- fangsrichtung erfolgt. In Figur 5 ist die Erhebung 10 verrundet ausgebildet, und der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 weisen eine unterschiedliche radiale Höhe auf, so dass auch die Gangstellung detektierbar ist. Ein Messelement 21 mit derart verrundeten Konturen eignet sich, insbesondere wenn es aus Stahl gefertigt ist, gleichzeitig als Rastkontur für eine Schaltarretierung. Figur 6 zeigt ein Messelement 21 aus metallisiertem Kunststoff mit einer Zentralsicke 16, die ebenfalls die Neutralgasse kennzeichnet. Liste der Bezugszahlen Schaltanordnung

Schalthülse

Lagereinheit

axiale Richtung

Schaltschiene

Schaltfinger

Gassenführung

Rastkontur

Wirbelstromsensor

Erhebung

Rampenkontur

erster Bereich

Abstand

zweiter Bereich

Wälzlager

Zentralsicke

Wälzkörper

Innenblech

Zylinderhülse

Stecker

Messelement

Getriebegehäuse