SCHALTVORRICHTUNG EINES KRAFTFAHRZEUGGETRIEBES UND SCHALTSTANGE DAFÜR Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltstange eines Kraftfahrzeugzahnräderwechsel- getriebes zum Übertragen von Schaltbewegungen.

Hintergrund der Erfindung

In manuellen und automatisierten Getrieben werden die von einem Fahrer di- rekt oder über eine Aktuatorik eingeleiteten Schaltbewegungen auf eine Schaltstange übertragen. Die Schaltstange ist axial beweglich zum Getriebegehäuse gelagert und kann über Betätigungselemente wie Schaltfinger Schaltgabeln verschieben, um einen Gangwechsel einzuleiten. Durch das Aufkommen automatisierter Schaltgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe ist die Erfassung einer Schaltmuffenstellung und damit des Schaltwegs notwendig geworden. DE 10 2006 02 87 85 B3 offenbart eine berührungslose Methode zur Erfassung eines Schaltwegs. Vorgesehen ist eine 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 Ausnehmung 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 gegenüberliegen. 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 des Schaltelements dienen. Die Verwendung eines Magneten bringt jedoch Probleme, wie beispielsweise temperaturbedingte Mes- sungenauigkeiten oder Metallabrieb im Getriebe mit sich, wodurch die Lagerung und die reibungsfreie Bewegung des Schaltelements behindert werden können.

DE 20 2004 019 489 A1 zeigt eine Sensoreinheit, der ein induktives Messprinzip zugrunde liegt zur Erfassung eines Positionsgebers in einer Kulissenschalt- einheit eines Automatikgetriebes. Der Positionsgeber ist durch zwei miteinander über einen Steg verbundene Rauten gebildet, der einen Messstreifen umgreift. Diese Anordnung muss unmittelbar am Handschalthebel angeordnet sein, erfordert mehrere Sensoren und kann im Falle von Handschaltgetrieben nicht den tatsächlich eingelegten Gang, sondern nur die Gangwählstellung wie „D",„R",„P" erfassen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Schaltvorrichtung für ein Getriebe zu schaffen, die die tatsächlich geschaltete Gangstellung zuverlässig erkennt.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltvorrichtung gemäß Anspruch 1. Erfindungsgemäß stellt die Schaltstange selbst den Positionsgeber für den Sensor dar. Dadurch ist kein separates Bauteil erforderlich, das mit der Schaltstange verbunden werden muss und zusätzlich mit Toleranzen bei seiner Positionierung an der Schaltwelle behaftet ist. Die Erfindung ermöglicht ebenfalls eine sehr Bauraum sparende Lösung, da radial und axial keine zusätzlichen Bauelemente auskragen. Die Ausnehmung ist zweckmäßigerweise an die Form des in die Ausnehmung einführbaren Sensors bzw. des den Sensor aufnehmenden Trägers angepasst. Dabei verbleibt in der Regel zwischen den beiden Bauteilen während des Eingriffs ein kleiner, nicht notwendigerweise konstant breiter Spalt, um ein Ver- klemmen der Bauteile beispielsweise aufgrund der Belastungen im Bereich der Lagerung, aufgrund schräg eingeleiteter Kräfte oder Temperaturänderungen zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist der Spalt klein im Verhältnis zur Ausnehmung selbst. Dadurch ist sichergestellt, dass die Sensoren sehr dicht an der Schaltstange geführt sind. Da bei vielen Sensoren das Signal des zu detektierenden Objekts quadratisch oder mit noch höherer Potenz vom Abstand zum Sensor abhängig ist, kann somit eine sehr genaue Positionsbestimmung erfolgen. Besonders geeignet ist ein induktives Messverfahren.

In einer Variante der Erfindung sind unterschiedlich viele Sensoren oder ein unterschiedlich großer Anteil des Sensors in jeder Schaltstellung radial von der Schaltwelle eingefasst. Dadurch wird für alle Schaltstellungen eine sichere De- tektion ermöglicht. Im Gegensatz dazu lassen sich bei Schaltvorrichtungen des Standes der Technik mit einem axial festen Sensor die Schaltstellungen, die weit von dem Sensor entfernt sind, untereinander nur schwer auseinander hal- ten. Da die Signale der meisten Sensoren nicht linear vom Abstand abhängig sind, lassen sich Positionen mit zunehmendem Abstand vom Sensor nur noch schwer voneinander unterscheiden.

Der Sensor ist vorzugsweise auf einem Träger angeordnet. Als Träger geeignet ist eine Platine, die eine oder mehrere Spulen aufweist, die ggf. ein Erregerfeld erzeugen können und/oder als Sensoren dienen.

Die Ausnehmung in der Schaltstange weist in einer Ausführung eine Negativform des Platinenquerschnitts auf, wobei in der Schaltvorrichtung zwischen der Platine und der Schaltstange stets ein Ringspalt gleicher Breite verbleibt. Die Ausnehmung kann beispielsweise als quadratischer Schlitz eine rechteckförmi- ge Platine aufnehmen. Vorteilhafterweise wechselwirkt das Erregerfeld dann fast ausschließlich mit der umschließenden Schaltstange und wird nur unwesentlich durch weitere Bauteile beeinflusst.

Die Ausnehmung der Schaltstange ist in einer Ausführungsform so angeordnet, dass sie in einer senkrecht zur Axialrichtung orientierten Ebene den Massenschwerpunkt der Schaltstange schneidet. In der Regel wird sie symmetrisch angeordnet sein.

Die Ausnehmung kann durchgängig ausgebildet sein, also die beiden bezüglich der Schaltachse seitlich angeordneten Außenflächen der Schaltstange verbinden, als auch als ein Sackloch den Sensor umschließen.

Besonders vorteilhaft ist es, den Sensor in ein Lager der Schaltstange zu integrieren. Dadurch ist automatisch die richtige Positionierung des Sensors zum Lager und damit zur Schaltstange gewährleistet. Ferner ist es möglich, das Lager gegenüber dem Getriebe abzudichten, so dass keine Metallpartikel eindringen können, die die Sensoreigenschaften verschlechtern können. Weiterhin stellt das Lager gleichzeitig ein getriebefestes Gehäuse zur Verfügung, so dass die Stromzufuhr und die Signalabgabe an einer getriebeextern angeordneten Gangerkennungseinheit besonders einfach erfolgen kann. Die Position zwischen dem Sensor und der Schaltstange ist während der Montage beider Komponenten bereits eindeutig festgelegt. Insbesondere ist die Positionierung der beiden Komponenten zueinander schon vor einem Einbau der Lagereinheit in einem Getriebe erzielt. Idealerweise sind hierbei die Lagereinheit 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 Variante der Erfindung ist vorgesehen, den berührungslos arbeiten Sensor als Wirbelstromsensor auszubilden. 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 wiederrum 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 Schalt- elements 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 Magnetfeldes messbar Energie entzogen.

Die Schaltstange kann eine runde Außenkontur aufweisen, sie kann aber auch, beispielsweise aus Flachmaterial gestanzt, im Querschnitt eckig sein. Prinzipiell ist die Schaltvorrichtung auch mit einer Schaltwelle realisierbar. Eine als Schaltschiene ausgebildete Schaltstange ist hierbei üblicherweise aus einem metalli- sehen Werkstoff gefertigt. Insofern kann eine solche metallische Schaltstange unmittelbar und ohne weitere Hilfsmittel als Target für den Wirbelstromsensor verwendet werden.

Vorteilhafterweise ist die Schaltstange aus Stahl gefertigt, ist daher sehr robust und kann selbst als Messelement verwendet werden. Durch die Ausbildung des Schaltelements als Messelement vereinfacht sich die Lageranordnung erheblich, und auch die Herstellungskosten können gesenkt werden. Der Montageaufwand ist nicht unerwünscht durch das Befestigen und Positionieren eines separaten Messelements erschwert. Auch kann der Platzaufwand gering gehal- ten werden.

Zur Realisierung möglichst kleiner Schalt- und Synchronisierungskräfte sind in Kraftfahrzeuggetrieben funktionsgebundene, leichtgängige und reibungsarme Lagerungen für Schaltelemente bei kleinstem Bauraum erforderlich. Hierzu eigenen sich insbesondere Wälzlager. Bevorzugt ist deswegen die Lagereinheit mit einem Wälzlager ausgebildet. Wälzlager weisen üblicherweise eine Anzahl von Nuten auf, in denen Wälzkörper geführt sind. Bei Wälzlagern zu einer axia- len Lagerung des Schaltelements laufen die Wälzkörper beispielsweise innen auf einem an einer Schiene angebrachten Innenblech und außen in einer kreisrunden Zylinderhülse, welche in einer Getriebebohrung steckt. Derartige Wälzlagerungen ermöglichen gute Wirkungsgrade aufgrund einer geringen Lagerreibung und erhöhen damit den Schaltkomfort, da sie für eine sehr leichtgängi- ge Längsführung eines Schaltelements sorgen können.

Alternativ ist grundsätzlich auch eine Gleitlagerung eines Schaltelements denkbar. Gleitlager sind üblicherweise in Kunststoff ausgeführt und ermöglichen bei geringen Kosten eine exakte Führung des Schaltelements. Zudem weisen Kunststofflagerungen den Vorteil einer akustischen Dämpfung des Schaltvorganges auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine dreidimensionale Darstellung einer Lageranordnung mit

Lagereinheit, einem Schaltelement und einem Sensor,

Figur 2 eine schematische Lageranordnung mit einer Lagereinheit, einer

Schaltstange und einem Sensor entsprechend Fig. 1 ,

Figur 3 eine Lageranordnung nach dem Stand der Technik und

Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Schaltvorrichtung ohne Gehäuse. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figuren 1 und 2 zeigen eine Schaltvorrichtung 2 mit einer Lagerund 8 eines linear verschiebbaren Getriebestellelements 3. Die Schaltvorrichtung 2 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Schaltgetriebegehäuses 6 eines Kraftfahrzeugs. Sie umfasst eine Schaltstange 4 als ein Getriebestellelement 3 und die Lagerung 8, die in einer Lagerhülse 10 aufgenommen ist. Die Lagerhülse 10 ist topf- förmig ausgebildet und weist einen in Richtung der Schaltstange 4 orientierten Boden 13 auf.

Die Schaltstange 4 ist mit einem axialen Ende 16 mit einem Wälzlager 18 gelagert. Das in Figur 1 nicht sichtbare zweite axiale Ende der Schaltstange 4 ist in einem weiteren Wälzlager gelagert. Die Wälzkörper 19 des Radial-Linear- Wälzlagers 18 laufen auf der Mantelfläche 20 der Lagerhülse 10 innenseitig ab. Aus der Querschnittsdarstellung wird die beidseits der Längsachse 15 symmetrische Anordnung der Wälzkörper 19 nicht ersichtlich. Um eine verschleißfeste Lauffläche für die Wälzkörper 19 zu realisieren, ist die Mantelfläche 20 der Lagerhülse 10 aus einem hochfesten Stahl gefertigt. Die Lagerhülse 10 selbst ist in einen zylindrischen Gehäuseabschnitt des Gehäuses 6 eingesetzt.

Stirnseitig in Richtung der Schaltstange 4 orientiert ist ein Sensor 12 am Boden 13 der Lagerhülse 10 angeordnet. Er ist in Richtung der Stirnfläche 7 des axialen Endes 16 der Schaltstange 4 gegenüberliegend angeordnet. In der Stirnfläche 7 der Schaltstange 4 ist eine Ausnehmung 9 angeordnet, in die ein im Bo- den 13 gehaltener Sensor 12 eingreift. Der Sensor 12 und die Ausnehmung 9 sind beide im Wesentlichen entlang der Längsachse 15 der Schaltstange 4 angeordnet. Der Montageprozess ist einfach, da es aufgrund eines anschließenden Kalibrierprozesses auf die exakte Einbaulage des Sensors 12 und der Schaltstange 4 nicht ankommt.

Bei einem Schaltvorgang wird die Schaltstange 4 entlang ihrer Längsachse 15 zwischen drei axial benachbarten Positionen si , s _n , s ₂ verschoben (Figur 2). Dabei entspricht die mittlere Position der Neutralposition s _n , und die beiden anderen Positionen s-i, S2 sind Schaltpositionen und sind jeweils einem Gang zugeordnet. Gleichzeitig mit der Schaltstange 4 wird ein daran befestigter, in der Darstellung nicht sichtbarer Schaltfinger zwischen diesen Positionen verschoben. Zum Schalten eines Ganges wird die Schaltstange 4 in dem Schaltgetriebe aus der Neutralposition s _n heraus in die Schaltposition bewegt. Dabei erfolgt über den Schaltfinger und über eine daran befestigte Schaltmuffe die Schaltung des zur Bildung der entsprechenden Übersetzungsstufe erforderlichen Zahnradsatzes.

Mittels des Sensors 12 ist eine Bestimmung der axialen Position der Schaltstange 4 möglich. Der mit der Neutralposition si, s _n , s ₂ der Schaltstange 4 korrelierte Messwert wird als Bezug gewählt, so dass die Anordnung bezüglich der Neutralposition kalibriert wird. Wenn sich die Schaltstange 4 im Rahmen eines Schaltvorgangs aus ihrer Neutralposition s _n , heraus in eine Schaltposition s-i, s ₂ bewegt, dann verändern sich die vom Sensor 12 erzeugten Sensorsignale. Das entsprechende Spannungssignal wird von dem Signalnehmer 21 abgegriffen und wird über den Steckkontakt 22 an eine externe Auswerteeinheit 11 übermittelt, die gegebenenfalls diesen Wert um externe Einflussgrößen eines weiteren Sensors 17 korrigiert.

Figur 3 zeigt eine Schaltvorrichtung 2 nach dem Stand der Technik, die sich leicht modifizieren lässt, um von der Erfindung zu profitieren (Figur 4). Ein Formteil 23 aus Kunststoff führt die Schaltstange 4. Die Schaltstange 4 ist in dem Formteil 23 durch ein Sackloch 14 aufgenommen. Die so gebildete Schaltvorrichtung 2 kann als vormontiertes Modul zur Getriebemontage angeliefert werden.

In Rastausnehmungen 5 der Schaltstange 4 verrastet eine Feder als Rastelement 1. Die Schaltstange 4 weist in einem 90° versetztem Längsschnitt mehrere Rastausnehmungen 5 auf, die zusammen eine Rastkontur für das Rastelement 1 bilden. Das Rastelement 1 ist als Formfeder in Hufeisenform ausgebildet und weist eine Basis 27 und zwei Schenkel 28, die sich bezüglich der Schaltstange 4 gegenüberliegen, auf. Der Abstand der Schenkel 28 voneinan- der sowie die Breite der Schenkel 28 vergrößert sich zur Basis 27 hin, wobei die Materialdicke der Feder gleichbleibend ist.

Das Formteil 23 bildet selbst eine Lagerhülse 10. In das Formteil 23 ist eine Nut 14 zur Aufnahme der Feder eingebracht, wobei die Breite der Nut an der Basis 27 nur wenig breiter als die Feder ist und schenkelseitig entsprechend dem zulässigen Federweg aufweitet. Damit ist sichergestellt, dass die Feder stets optimal geführt ist, nicht verkippen kann und gut abgestützt ist. Die Ausnehmung 9 in Figur 4 nimmt den auf einer flachen Platine 24 angeordneten Sensor 12 auf. Der Sensor kann als eine oder mehrere Spulen ausgebildet sein. Ferner können auf der Platine 24 Erregerspulen 25 angeordnet sein. Die Erregerspule 25 erzeugt vorliegend ein magnetisches Wechselfeld über einen elektromagnetischen Schwingkreis. Dieses Feld wird durch die Schalt- stange 4 geschwächt. In der Schaltstange 4 aus Stahl werden Wirbelströme erzeugt, die dem Schwingkreis Energie entziehen. Diese Energieänderung ist messbar und abhängig vom Abstand zwischen dem Wirbelstromsensor 12 und der Schaltstange 4, bzw. von seinem Eintauchen in den Schlitz 26 als Ausnehmung 9. Die Spulenanordnung ist so ausgelegt, dass das Ende der Schaltstan- ge 4 in Neutralposition s _n in der Mitte des Messbereichs liegt. Die Schaltstange 4 beeinflusst die Intensität des Erregerfeldes so, dass jede axiale Bewegung der Schaltstange Einfluss auf die jeweils anliegenden Bereiche der Empfängerspulen hat. Zwischen der Platine 24 und der radial umfassenden Schaltstange 4 verbleibt ein Spalt 30 konstanter Breite, der verhindert, dass das Ende der Schaltstange 4 und die Platine miteinander verklemmen. Liste der Bezugszahlen Rastelement

Schaltvorrichtung

Getriebestellelement

Schaltstange

Rastausnehmung

Getriebegehäuse

Stirnfläche

Lagerung

Ausnehmung

Lagerhülse

Auswerteeinheit

Sensor

Boden

Sackloch

Längsachse

axiales Ende

weiterer Sensor

Radial-Linear-Wälzlager

Wälzkörper

Mantelfläche

Signalnehmer

Signalausgang

Formteil

Platine

Erregerspule

Schlitz

Basis

Schenkel

Nut

Spalt Si erste Schaltstellung s _n Neutralstellung s ₂ zweite Schaltstellung