Betätigungseinrichtung mit Schaltsperre

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur manuellen Steuerung bzw. Betätigung eines technischen Systems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gattungsgemäße Betätigungseinrichtungen kommen beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, zur manuellen Auswahl von Schaltstufen bzw. zur Gangvorwahl bei Gangwechselgetrieben von Kraftfahrzeugen zum Einsatz.

Bei einer zunehmenden Anzahl von Kraftfahrzeugtypen erfolgt die Gangvorwahl, bzw. die Steuerung des Betriebszustands des Fahrzeuggetriebes heute mittels elektrischer bzw. elektronischer Signalübertragung. Eine dergestalt ohne mechanische Verbindung auskommende elektrische bzw. elektronische Ansteuerung technischer Systeme oder Getriebe bringt jedoch zunächst unvermeidlich eine Reihe von Besonderheiten mit sich. So erhält der Bediener bzw. Fahrer - im Gegensatz zur Bedienung mittels der bekannten mechanischen Betätigungseinrichtungen - im allgemeinen keinerlei unmittelbare Rückmeldung über eine mögliche Unzulässigkeit seines Betätigungswunsches.

Um in bestimmten Situationen Fehlbedienungen zu vermeiden, beispielsweise um dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs bestimmte Fahrzeugzustände oder Störungen (z.B. Ausfall der Kommunikation zwischen Schaltung und Getriebe)

zu signalisieren, sind Betätigungseinrichtungen oftmals mit Sperrsystemen ausgestattet, die bei Vorliegen gewisser Randbedingungen bestimmte Bewegungen des Betätigungselements nicht mehr zulassen.

So führt beispielsweise das aus dem Kraftfahrzeugbereich bekannte, sog. Keylock-System einer Betätigungseinrichtung für ein automatisches Gangwechselgetriebe zu einer Sperrung des Betätigungselements bzw. des Wählhebels in der Position "P" (Parksperre). Damit soll insbesondere verhindert werden, dass der Wählhebel vor dem Anlassen des Motors in eine der Fahrstufen bewegt wird, womit sich das Fahrzeug bereits beim Anlassen unerwünscht in Bewegung setzen könnte.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz einer Sperreinrichtung ist bei einem automatisierten Fahrzeuggetriebe die P/N-Sperre, die dazu dient, dass aus Sicherheitsgründen nur bei getretener Bremse aus den Schaltstellungen "P" (Parksperre) und "N" (Neutral) herausgeschaltet werden kann. Dies dient ebenfalls dem Zweck, ein unkontrolliertes Anfahren des Fahrzeugs bereits im Moment des Einlegens einer Fahrstufe zu verhindern.

Bei den immer häufiger anzutreffenden Betätigungseinrichtungen mit elektrischer bzw. elektronischer Signalübertragung, die ohne jegliche mechanische Verbindung zwischen dem Betätigungselement und dem damit gesteuerten System, bzw. auch ohne mechanische Verbindung mit den Sperreinrichtungen wie z.B. Keylock- oder P/N-Sperre auskommen, werden zur Realisierung solcher Sperrfunktionen häufig elektromechanische Aktuatoren verwendet.

Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die situationsabhängige Sperrung des Betätigungselements nicht mehr über Gestänge oder Seilzüge erfolgt, sondern dass vielmehr nur noch elektrische bzw. elektronische Signale zur Betätigungseinrichtung übermittelt werden. Diese werden sodann in der Betätigungseinrichtung umgesetzt und zur Ansteuerung der entsprechenden elektrischen Aktuatoren der Sperreinrichtung verwendet. Als Aktuatoren werden dabei oftmals elektromagnetisch betätigte Anker eingesetzt.

Aufgrund der Mehrzahl an Sperrmimiken insbesondere bei shift-by-wire- Gangwechselgetrieben, bei denen zudem oftmals auch noch eine situationsabhängige Einschränkung der Bewegbarkeit des Schalthebels vorgesehen ist, sind nach dem Stand der Technik bei den bekannten Betätigungseinrichtungen häufig verhältnismäßig komplexe Sperrsysteme erforderlich. Bei den bestehenden Sperrsystemen erfolgt die Steuerung bzw. Sperrung dabei zumeist unter Einsatz von Elektromagneten, die jeweils in Abhängigkeit vom Stromfluss einen Anker bewegen. Dabei gibt es jedoch für den Anker nur zwei mögliche Positionen, die mit den beiden Zuständen "bestromt" bzw. "unbestromt" korrespondieren.

Mit anderen Worten bedeutet dies jedoch, dass auf diese Weise mit einem Aktuator auch nur zwei diskrete Sperrzustände dargestellt werden können, beispielsweise "gesperrt" bzw. "ungesperrt". Daraus ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, bei den immer komplexer werdenden Sperrsystemen, die beispielsweise bei den Betätigungseinrichtungen von shift-by-wire-Getrieben zum Einsatz kommen, eine zunehmende Zahl an elektromagnetischen Aktuatoren vorzusehen, die für sich genommen jeweils zwei Schaltstellungen aufweisen.

Dies ist jedoch nachteilig insofern, als der für diese Mehrzahl an Aktuatoren vorzusehende Bauraum nicht ohne weiteres zur Verfügung steht. Ferner besitzen derartige elektromagnetische Aktuatoren aufgrund der darin vorhandenen Kupferwicklungen in eine nicht unerhebliche Masse, was zu einer unerwünschten Gewichtserhöhung der Schalteinheit beiträgt. Nicht zuletzt verursacht die Mehrzahl an separaten Aktuatoren auch eine Erhöhung der Kosten für die Schalteinheit, was aufgrund des Kostendrucks im Bereich technischer Kraftfahrzeugsysteme oft nicht akzeptabel ist.

Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Betätigung eines technischen Systems, beispielsweise zur elektrischen bzw. elektronischen shift-by-wire-Betätigung eines Gangwechselgetriebes zu schaffen, die eine Sperreinrichtung aufweist und mit der sich die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden lassen. Insbesondere soll die Sperreinrichtung auch im Fall komplexer Sperrmimiken mit einer möglichst geringen Anzahl an Aktuatoren auskommen, womit insbesondere Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungseinrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unter ansprüche .

Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung umfasst in an sich zunächst bekannter Weise ein Betätigungselement, das in zumindest zwei verschiedene Schaltstellungen verbracht werden kann. Ferner umfasst die Betätigungseinrichtung eine Sperreinrichtung zur Einschränkung des Schaltwegs des Betätigungselements, bzw. zur Sperrung des

Betätigungselements gegen Schaltbewegungen, wobei die Sperreinrichtung zumindest einen Aktuator mit einem beweglichen Ankerelement aufweist.

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Betätigungseinrichtung jedoch dadurch aus, dass der Aktuator zumindest drei unterschiedliche Schaltzustände aufweist bzw. einnehmen kann.

Dies bedeutet mit anderen Worten, dass bereits mit nur einem einzigen Aktuator zumindest drei verschiedene Sperrzustände für das Betätigungselement darstellbar sind.

Auf diese Weise werden die eingangs beschriebenen Nachteile bei Betätigungseinrichtungen mit aufwändigeren Schaltmimiken bzw. mit einer Mehrzahl an Sperrzuständen reduziert bzw. beseitigt. Denn dank des zumindest drei unterschiedliche Schaltzustände aufweisenden Aktuators lässt sich auch bereits mit nur einem einzigen Aktuator eine erhebliche Anzahl an unterschiedlichen Sperrzuständen beispielsweise des Schalthebels einer Getriebebetätigungseinheit realisieren. Somit wird durch die Erfindung sowohl konstruktiver Aufwand eingespart, ferner können - insbesondere bei komplexen Sperranforderungen - auch Gewicht, Bauraum und Kosten gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden.

Die Erfindung wird dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklicht, wie die Sperreinrichtung bzw. der Aktuator konstruktiv ausgeführt und angeordnet ist, solange mit Sperreinrichtung bzw. Aktuator eine zuverlässige Sperrung der entsprechenden Freiheitsgrade des Betätigungselements sichergestellt ist. Art und Herkunft der Hilfsenergie sind erfindungsgemäß ebenfalls zunächst nicht wesentlich.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist der Aktuator jedoch elektrisch betätigbar, bzw. basiert der Aktuator auf dem elektromagnetischen Wirkprinzip. Elektrisch, bzw. insbesondere elektromagnetisch betätigte Aktuatoren sind zuverlässig und erlauben eine vergleichsweise platzsparende Konstruktion einer Betätigungseinrichtung bzw. Getriebebetätigungseinheit.

Nach einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aktuator ein Linearmotor. Diese Ausführungsform besitzt insbesondere den Vorteil, dass sich durch den Einsatz eines Linearmotors eine noch größere Anzahl an verschiedenen Schaltzuständen bzw. Sperr zuständen mit nur einem einzigen Aktuator realisieren lässt. Denn das Ankerelement eines Linearmotors kann dank der besonderen Eigenschaften des Linearmotors innerhalb seines linearen Bewegungsbereichs praktisch beliebig positioniert werden. Daher können eine Mehrzahl an verschiedenen Relativpositionen des Ankerelements eines Linearmotors konstruktiv jeweils ebenfalls unterschiedlichen Sperrzuständen der Betätigungseinrichtung zugeordnet werden.

Nach einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aktuator, genauer gesagt das Ankerelement des Aktuators, mit einer beweglichen Sperrkulisse verbunden. Da die Sperrkulisse mit einer praktisch beliebigen Kulissenform ausgeführt werden kann, lassen sich auf diese Weise trotz der einfachen linearen Bewegung des Ankerelements auch verhältnismäßig komplexe Sperrmimiken realisieren.

Besonders bevorzugt ist dabei der Aktuator mit mehr als einer beweglichen Sperrkulisse verbunden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mehrere voneinander separate, bewegliche Sperrkulissen, oder auch bewegliche

Sperrriegel, mit ein und demselben Aktuator verbunden sind, bzw. von ein und demselben Aktuator gesteuert werden. Dies ist vorteilhaft insofern, als sich auf diese Weise noch komplexere Sperrmimiken realisieren lassen. Insbesondere können auf diese Weise auch Sperrfunktionen in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen bzw. Bewegungsebenen des Betätigungselements gleichzeitig oder unabhängig voneinander realisiert werden.

Prinzipiell wird die Erfindung verwirklicht unabhängig davon, welcher Art die Betätigungseinrichtung ist, und welches technische System durch die Betätigungseinrichtung bzw. das Betätigungselement gesteuert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch das Betätigungselement ein Wählhebel eines Kraftfahrzeuggetriebes, insbesondere eines shift-by-wire-Fahrzeuggetriebes bzw. eines Automatikgetriebes. Im Bereich der Betätigung von Fahrzeuggetrieben lässt sich die Erfindung mit besonderem Vorteil zum Einsatz bringen, da hier oftmals eine Mehrzahl an sicherheitsrelevanten Sperrsystemen darzustellen ist, wobei diese Sperrsysteme mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand im Bereich des Betätigungselements, zum Beispiel zwischen den Frontsitzen eines Kraftfahrzeugs, unterzubringen sind.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befinden sich Sperreinrichtung und zugehöriger Aktuator bei Fehlen der Hilfsenergie in einer Stellung, in welcher das Betätigungselement blockiert bzw. die Beweglichkeit des Betätigungselements am stärksten eingeschränkt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass beispielsweise bei einem Totalausfall der Betätigungseinrichtung, oder bei einem Stromausfall, eine taktil unmittelbar wahrnehmbare Blockierung des Betätigungselements erfolgt.

Dies ist insbesondere insofern vorteilhaft, als auf diese Weise sichergestellt wird, dass das Betätigungselement bei Wegfall der Hilfsenergie, beispielsweise in einem Störungsfall, automatisch blockiert wird. Damit wird dem Bediener bzw. Fahrer unmissverständlich signalisiert, dass sich das System nicht in betriebsbereitem Zustand befindet, bzw. momentan nicht über die Betätigungseinrichtung gesteuert werden kann, dass also beispielsweise eine Betätigung des Automatikgetriebes nicht möglich ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Betätigungseinrichtung ferner eine Vorrichtung zur mechanischen Entriegelung der Sperreinrichtung. Diese Entriegelungsvorrichtung steht als sog. Override- Funktion insbesondere für den Fall von Fehlfunktionen des Antriebs der Sperreinrichtung zur Verfügung. Somit ermöglicht die

Entriegelungsvorrichtung mittels einer manuellen mechanischen Entsperrung der Sperreinrichtung, dass das Betätigungselement, beispielsweise bei einem Ausfall lediglich der Sperreinrichtung oder des Aktuators, dennoch im Sinne eines Notbetriebs betätigt werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer isometrischer sowie teilweise geschnittener Darstellung eine Ausführungsform einer Betätigungseinrichtung für ein Fahrzeuggetrieb e ;

Fig. 2 in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung die Betätigungseinrichtung gemäß Fig. 1 in einer Betätigungsstellung;

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform einer

Betätigungsemrichtung in der Draufsicht in einer ersten Aktuatorstellung;

Fig. 4 in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung und Ansicht die

Betätigungseinrichtung gemäß Fig. 3 in einer zweiten Aktuatorstellung; und

Fig. 5 in einer Fig. 3 und 4 entsprechenden Darstellung und Ansicht die Betätigungseinrichtung gemäß Fig. 3 und 4 in einer dritten Aktuatorstellung.

Fig. 1 zeigt in isometrischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Betätigungseinrichtung 1 für ein automatisiertes Fahrzeuggetriebe.

Man erkennt in der Darstellung von Fig. 1 und Fig. 2 zunächst einmal das als Schalthebel 2 ausgebildete Betätigungselement, das mittels einer Gelenkkugel 3 in einem hälftig geschnitten dargestellten Gehäuse 4 der Betätigungseinrichtung 1 angeordnet ist. Der Schalthebel 2 lässt sich dank der Aufhängung mittels Gelenkkugel 3 sowohl in Fahrtrichtung vor und zurück (5), als auch quer zur Fahrtrichtung hin und her bewegen (6), wie durch die beiden strichlierten Pfeile 5 bzw. 6 angedeutet.

Dabei sorgt eine einen Aktuator 7 umfassende Sperreinrichtung 8 dafür, dass die Bewegungsfreiheit, bzw. der zur Betätigung jeweils zur Verfügung stehende Schaltweg und die jeweils zur Verfügung stehenden Schaltrichtungen am Betätigungshebel 2 in Abhängigkeit vom Betriebs- bzw. Fahrzustand des Kraftfahrzeugs, sowie in Abhängigkeit weiterer Randbedingungen, jeweils

eingeschränkt bzw. freigegeben werden kann. Bei den weiteren Randbedingungen kann es sich dabei insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich, um den Zustand des Bremspedals (getreten/nicht getreten) oder um den Zustand des Zündschlosses (Zündung eingeschaltet/ausgeschaltet) handeln.

Die Sperreinrichtung 8 der Betätigungseinrichtung 1 bzw. des Schalthebels 2 gemäß Fig. 1 und 2 wird dabei lediglich durch einen einzigen elektromagnetischen Aktuator 7 gesteuert. Die Sperreinrichtung 8 umfasst neben dem Aktuator 7 und dessen Ankerstift 9 dabei insbesondere eine quer zur Fahrtrichtung hin und her bewegliche Sperrkulisse 10 sowie ein indirekt von der Sperrkulisse 10 angetriebenes, weiteres Sperrelement 11. Man erkennt, dass Ankerstift 9 und Sperrkulisse 10 sich in der Darstellung gemäß Fig. 1 zeichnungsbezogen an ihrem linken Anschlag befinden, während Ankerstift 9 in der Darstellung gemäß Fig. 2 aus dem Korpus des Aktuators 7 ausgefahren, und damit auch die Sperrkulisse 10 zeichnungsbezogen nach rechts verschoben ist.

Die Sperrkulisse 10 besitzt eine definierte Aussparungskontur 12 (siehe auch Fig. 3 bis 5). Die Aussparungskontur 12 korrespondiert dabei mit einem im unteren Bereich des Schalthebels 2 angeordneten Sperrvorsprung 13. Je nach horizontaler Position des Ankerstifts 9 des Aktuators 7 bzw. der mit dem Ankerstift 9 verbundenen Sperrkulisse 10 wird damit die Bewegungsfreiheit des Schalthebels 2 in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs (also die Vor- und Zurück-Bewegung des Schalthebels, siehe strichlierter Pfeil 5) mehr oder weniger stark eingeschränkt.

Das zusätzliche Sperrelement 11 hingegen, das über die Sperrkulisse 10 indirekt ebenfalls vom Aktuator 7 angetrieben wird, dient der Sperrung bzw. situationsabhängigen Einschränkung der Bewegungsfreiheit des Schalthebels 2 quer zur Fahrtrichtung (strichlierter Pfeil 6). Mittels Steuerung des zusätzlichen Sperrelements 11 durch den Aktuator 7 lässt sich somit festlegen, ob der Schalthebel 2 zwischen den in Fahrtrichtung nebeneinander liegenden, verschiedenen Schaltgassen hin und her bewegt werden kann, oder ob diese Hin- und Herbewegung situationsabhängig gesperrt sein soll.

Der entscheidende Vorteil der dargestellten Betätigungseinrichtung liegt somit darin, dass hier mit lediglich einem einzigen Aktuator 7 sowohl eine mehrstufige Sperrung der Beweglichkeit des Schalthebels 2 in Fahrtrichtung (5], als auch eine situations abhängigen Sperrung der Beweglichkeit des Schalthebels 2 quer zur Fahrtrichtung (6) realisiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich in erheblichem Maße konstruktiver Aufwand, Bauraum und Gewicht sowie nicht zuletzt auch Kosten in beträchtlichem Umfang einsparen.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Betätigungseinrichtung 1 mit Sperreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in den Fig. 3 bis 5 gezeigte Sperreinrichtung 1 mit Aktuator 7, Ankerstift 9, Sperrkulisse 10, Aussparungskontur 12 und Sperrvorsprung 13 stimmt im Wesentlichen mit den entsprechenden Bauteilen der Betätigungseinrichtung 1 gemäß Fig. 1 und 2 überein.

Man erkennt in den Fig. 3 bis 5 zunächst einmal den Aktuator 7, der über den Ankerstift 9 mit der Sperrkulisse 10 verbunden ist. Die Sperrkulisse 10 weist wieder eine Aussparungskontur 12 auf, die mit einem Sperrvorsprung 13 am (hier in der Draufsicht nur im Querschnitt erkennbaren] Betätigungshebel 2 korrespondiert.

Aus den Darstellungen der Fig. 3 bis 5 geht besonders deutlich hervor, dass die Beweglichkeit des Betätigungshebels 2 in Fahrtrichtung, abhängig von der jeweiligen Position der Sperrkulisse 10, entweder vollständig gesperrt ist (Fig. 3), oder durch die Sperrkulisse 10 teilweise (Fig. 5] bzw. vollständig freigegeben ist (Fig. 4).

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 7 so ausgeführt, dass er im unbestromten Zustand seine Mittelstellung gemäß Fig. 4 einnimmt. Dies ist für den Fall des dargestellten Ausführungsbeispiels vorteilhaft insofern, als der Wählhebel bei Stromausfall oder Ausfall des Aktuators dann immer noch zwischen seiner Ausgangsstellung gemäß Fig. 3 und seiner Mittelstellung gemäß Fig. 4 hin und her bewegt werden kann.

Im Ergebnis wird damit deutlich, dass mit der Erfindung eine Betätigungseinrichtung für elektrisch bzw. elektronisch gesteuerte technische Systeme, insbesondere für Gangwechselgetriebe von Kraftfahrzeugen geschaffen wird, bei der die notwendigen Sperrfunktionen des Betätigungshebels mit besonders geringem konstruktivem Aufwand und mit vergleichsweise niedrigen Kosten realisierbar sind. Somit lässt sich beim Kraftfahrzeug mittels der erfindungsgemäß realisierbaren Sperrfunktionen - im Sinne der Betriebs- und Fahrsicherheit - die Anwahl insbesondere von unzulässigen Schaltfolgen bzw. Getriebezuständen zuverlässig verhindern. Ferner kann so die Unzulässigkeit bestimmter Schaltanforderungen dem Bediener bzw. Fahrer taktil klar signalisiert werden.

Die Erfindung leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit, Ergonomie und Bedienbarkeit von technischen Systemen, insbesondere bei der Anwendung im Bereich der Kraftfahrzeugsysteme und -getriebe.

B ezugszeichenliste

B etätigungseinrichtung

Schalthebel, Betätigungshebel

Gelenkkugel

Gehäusehälfte

Fahrtrichtung

Querrichtung

Aktuator

Sperreinrichtung

Ankerstift

Sperrkulisse

Sperrelement

Aussparungskontur

Sperrvorsprung