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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Erfassung
und Auswertung der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug mittels eines
Magnetfeldsensors.
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Im
Zuge des zunehmenden Einsatzes von Elektronik in Kraftfahrzeugen
wird in immer mehr Kraftfahrzeugen kein mechanischer Gangwählhebel, der
direkt mit dem Getriebe zusammenwirkt, mehr verwendet. Stattdessen
wird die Stellung des Gangwählhebels elektronisch ermittelt
und der entsprechende Gang ohne weitere Einwirkung des Benutzers
auf das Getriebe eingelegt.
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Aus
der
DE 41 08 388 A1 ist
hierzu bekannt, einen Magneten am unteren Ende des Gangwählhebels
anzubringen und die Position dieses Magneten über eine
Mehrzahl von Magnetfeldsensoren zu detektieren. Hierzu ist ein Magnetfeldsensor
pro Position des Gangwählhebels erforderlich. Da die Leiterplatte,
auf der die Sensoren angeordnet werden, üblicherweise eben
ist, der am Gangwählhebel befestigte Magnet sich aber auf
einer Kugeloberfläche bewegt, sieht
DE 41 08 388 A1 vor, Leitelemente
für den magnetischen Fluss zu verwenden, um den sich verändernden
Abstand zwischen Magnet und Sensor zu überbrücken.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Platzbedarf und
die Kosten für eine magnetische Erkennung der Gangwählhebel-Position
zu verringern und eine kompakte Vorrichtung für die Erfassung
und Auswertung der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für die Erfassung und
Auswertung der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug gemäß der
vorliegenden Erfindung gelöst.
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Eine
Vorrichtung für die Erfassung und Auswertung der Gangwahl
in einem Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung weist einen Wählhebel auf, mit dem der Benutzer
den gewünschten Gang einstellen kann. Der Wählhebel
kann an seinem oberen Ende mit einem Griffstück versehen sein,
um dem Benutzer ein sicheres Greifen des Wählhebels zu
erlauben. Auf dem Griffstück kann die Anordnung der Gänge
dargestellt werden, damit der Benutzer erkennen kann, in welche
Position er den Wählhebel bewegen muss, um einen gewünschten Gang
auszuwählen. Dies ist zum einen erforderlich, da die Position
des Rückwärtsganges nicht bei allen Fahrzeugen
einheitlich ist. Außerdem gibt es gerade im Bereich der
Automatikgetriebe nicht bei jedem Fahrzeug die gleichen Einstellmöglichkeiten.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin mindestens
einen Magneten und mindestens ein Magnetsensorelement auf. Um die
gewünschte Funktionalität zum Auswählen
eines Ganges in einem Kraftfahrzeug aufzuweisen, ist es ausreichend,
jeweils einen Magneten und ein Magnetsensorelement vorzusehen. Es
kann aber auch erwünscht sein, zwei oder mehr Magnete und
Magnetsensorelemente einzusetzen, um ein redundantes System zu erhalten.
Dann bleibt die Vorrichtung auch dann noch funktionsfähig,
wenn einer der Magnete und/oder eines der Magnetsensorelemente ausfällt, und
das Fahrzeug kann gefahrlos weiter gesteuert werden.
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Es
ist auch möglich, alle Magnete und Magnetsensorelemente
gleichzeitig in Betrieb zu haben und einen Gangwechsel beispielsweise
nur dann vorzunehmen, wenn bei jeweils zwei vorhandenen Magneten
und Magnetsensorelementen beide Magnetsensorelemente das gleiche
Ereignis melden. Somit führen vorübergehende Störungen
in der Ansteuerelektronik eines der beiden Magnetsensorelemente
nicht zu einem unerwünschten und gegebenenfalls gefährlichen
Wechsel des eingelegten Gangs.
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Der
Magnet kann beispielsweise ein Permanentmagnet sein, der dauerhaft
ein Magnetfeld aufweist, oder ein Elektromagnet, der nur dann ein
Magnetfeld aufweist, wenn er mit Strom versorgt wird, beispielsweise
nur während des Betriebs des Kraftfahrzeugs.
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Um
die erfindungsgemäße Vorrichtung für die
Erfassung und Auswertung der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug möglichst
kompakt zu halten und um die Herstellungskosten zu senken, ist vorgesehen,
das Magnetsensorelement so zu gestalten, dass es geeignet ist, drei
räumliche Komponenten eines Magnetfeldes zu detektieren.
Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erhalten, stehen
die drei räumlichen Komponenten des Magnetfeldes aufeinander
senkrecht.
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Die
Verwendung eines Magnetsensorelements, das geeignet ist, drei räumliche
Komponenten eines Magnetfeldes zu detektieren, erlaubt es, mit einem
einzigen Magnetsensorelement alle Positionen des Wählhebels
zu erfassen und auszuwerten. In jeder Position des Wählhebels
ist mindestens eine der drei räumlichen Komponenten des
Magnetfeldes unterschiedlich im Vergleich zu den anderen Positionen des
Wählhebels, so dass eine eindeutige Zuordnung der gemessenen
Magnetfeldkomponenten zu den Positionen des Wählhebels
möglich ist.
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Außer
der getrennten Auswertung der einzelnen Komponenten des Magnetfelds
ist es auch möglich, den Betrag des Magnetfeldvektors für
die Bestimmung der Position des Wählhebels mit heranzuziehen.
Dies erlaubt eine zusätzliche Absicherung der Bestimmung
der Position des Wählhebels aus den gemessenen Werten für
die Komponenten des Magnetfelds.
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Diese
absolute Erfassung der räumlichen Orientierung des Magneten
oder des Magnetsensorelements am Schaltabschnitt des Wählhebels
lässt beliebige Layouts der Schaltpositionen zu. Es können
Schaltbereiche definiert werden und Zwischenbereiche erfasst werden,
um bei der Bewegung des Wählhebels in eine neue Schaltposition
bereits vorbereitende Aktionen auszuführen.
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Die
Schaltbereiche können so ausgelegt werden, dass alle Toleranzen
der Bedienmechanik aufgefangen werden.
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Ein
geeignetes Magnetsensorelement kann beispielsweise aus drei herkömmlichen
Hall-Sensoren bestehen, die jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet
sind und in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
Ein solches Magnetsensorelement kann somit über ein einziges
Paar von Leiterbahnen auf einer Platine mit Strom versorgt werden,
und es muss nicht mehr eine Stromversorgung zu jedem einzelnen Hall-Sensor
geplant werden. Auch die erforderlichen Datenleitungen können
dadurch zusammengefasst werden. Somit wird ein kompakterer Aufbau
nicht nur des Magnetsensorelements selbst, sondern auch der dazugehörigen
elektronischen Schaltung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass die Messungen für die drei Raumrichtungen quasi
in einem Punkt erfolgen und somit eine genauere Positionsbestimmung
möglich ist.
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Das
Magnetsensorelement kann vorteilhafterweise auch mehr als drei Hall-Sensoren
aufweisen. Dies ermöglicht die zusätzliche Auswertung
des Gradienten des Magnetfeldes, wodurch die Positionsbestimmung
noch weiter verbessert werden kann. So können beispielsweise
durch Gradientenbestimmung eventuell auftretende Mehrdeutigkeiten der
Signale der Hall-Sensoren behoben werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist der Wählhebel einen Bedienabschnitt und
einen Schaltabschnitt auf. Als Bedienabschnitt wird der Teil des
Wählhebels bezeichnet, der, ausgehend vom Lager, mit dem
der Wählhebel in der Mittelkonsole des Fahrzeugs oder an
einer anderen Position des Fahrzeugs – beispielsweise in
der Lenksäule – befestigt ist, für den
Benutzer zumindest teilweise zugänglich ist und am oberen Ende üblicherweise
mit einem Griff versehen ist.
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Der
Schaltabschnitt des Wählhebels ist ein Teil des Wählhebels,
der nicht für den Benutzer zugänglich ist, der
sich also beispielsweise innerhalb der Mittelkonsole befindet. Am
Schaltabschnitt des Wählhebels ist in einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung entweder der Magnet (oder im Falle eines redundant ausgelegten
Systems die Magnete) oder das Magnetsensorelement (oder im Falle
eines redundant ausgelegten Systems die Magnetsensorelemente) befestigt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Wählhebelführung
aufweisen, in der der Bedienabschnitt des Wählhebels geführt
wird. Die Wählhebelführung kann dabei mit der
Mittelkonsole fest verbunden sein. Wenn der Bedienabschnitt des Wählhebels
in der Wählhebelführung geführt wird, sind
die möglichen Positionen des Wählhebels eingeschränkt.
Dies erleichtert die Zuordnung der gemessenen Komponenten des Magnetfelds
zu den einzelnen Positionen des Wählhebels.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind sowohl der Bedienabschnitt als auch der Schaltabschnitt
im Wesentlichen längliche Abschnitte des Wählhebels,
die jeweils eine longitudinale Achse haben und deren longitudinalen
Achsen zueinander parallel sind. Beispielsweise können
die longitudinalen Achsen von Bedienabschnitt und Schaltabschnitt
zusammenfallen, womit der Schaltabschnitt eine Verlängerung
des Bedienabschnittes – gegebenenfalls auf der gegenüberliegenden
Seite des Lagers, mit dem der Wählhebel am Fahrzeug befestigt
ist – darstellt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind die longitudinalen Achsen von Bedienabschnitt und Schaltabschnitt
nicht zueinander parallel. Sie können beispielsweise sich
in einem Punkt unter einem Winkel schneiden oder windschief sein,
d. h. keinen Punkt gemeinsam haben. Dies ermöglicht eine
besonders kompakte und platzsparende Konstruktion der erfindungsgemäßen
Vorrichtung für die Erfassung und Auswertung der Gangwahl
in einem Kraftfahrzeug, da der Schaltabschnitt mit dem Magneten oder
dem Magnetsensorelement und demzufolge auch die jeweils andere Detektionskomponente
(Magnetsensorelement oder Magnet) dort angeordnet werden kann, wo
es der übrige Aufbau des Kraftfahrzeugs zulässt.
Insbesondere wenn die longitudinalen Achsen von Bedienabschnitt
und Schaltabschnitt einen spitzen Winkel einschließen,
so dass sich der Schaltabschnitt in eine ähnliche Richtung
erstreckt wie der Bedienabschnitt, kann eine besonders kompakte
und platzsparende Vorrichtung für die Erfassung und Auswertung
der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug erzielt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird entweder der Magnet oder das Magnetsensorelement direkt
am Lagerelement des Wählhebels befestigt. Das Lagerelement
dient dann gleichzeitig auch als Schaltabschnitt des Wählhebels.
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Das
Lagerelement kann beispielsweise im Wesentlichen kugelförmig
sein und in kugelabschnittsförmigen Lagerschalen gehalten
werden, um den Wählhebel zu lagern. Dann kann der Magnet oder
das Magnetsensorelement an einer Stelle des kugelförmigen
Lagerelements, die nicht von den Lagerschalen gehalten wird befestigt
sein. Dies erlaubt eine noch kompaktere und platzsparendere Bauweise
der erfindungsgemäßen Vorrichtung für
die Erfassung und Auswertung der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug.
Alternativ können auch andere Arten von Lagern, wie z.
B. eine Schiebekulisse, verwendet werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist ferner eine Schaltung zur Auswertung der vom Magnetsensorelement
gelieferten Signale, eine Steuereinheit sowie eine Schnittstelle
auf. Die Steuereinheit dient vorzugsweise zur Erzeugung von Steuerbefehlen
für die Aktoren der Getriebeeinheit, welche die Gangwahl
im Getriebe durchführen. Die von der Steuereinheit erzeugten
Steuerbefehle werden der Getriebeeinheit über die Schnittstelle
bereitgestellt. Die Schnittstelle kann beispielsweise dem Controller
Area Network (CAN) Standard entsprechen, wobei dann die Steuerbefehle über
ein CAN-Bussystem an die Getriebeeinheit übermittelt werden.
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
Es zeigt:
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1a und 1b schematische
Darstellungen einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung für die Erfassung und Auswertung der Gangwahl
in einem Kraftfahrzeug mit zwei verschiedenen Wählhebelführungen;
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2 eine
detailliertere Darstellung des in 1a markierten
Ausschnitts; und
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3a–3d schematische
Darstellungen einer zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung für die Erfassung und Auswertung der Gangwahl
in einem Kraftfahrzeug mit vier verschiedenen relativen Anordnungen
von Bedienabschnitt und Schaltabschnitt des Wählhebels.
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In 1a und 1b sind
zwei Varianten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt, die sich durch die Wählhebelführungen
unterscheiden. Beiden Varianten gemeinsam ist der Wählhebel
(1), der in einen Bedienabschnitt (4) und einen
Schaltabschnitt (5) unterteilt ist.
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Bedienabschnitt
(4) und Schaltabschnitt (5) sind im Wesentlichen
zylinderförmige Abschnitte des Wählhebels (1).
Der Bedienabschnitt (4) ist, ausgehend von der Lagerkugel
(6), dem Benutzer zugewandt und am oberen Ende mit einem
Griff (10) versehen.
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Der
Bedienabschnitt (4) wird in einer Wählhebelführung
(8) geführt, die mit einer Aussparung (9)
versehen ist und somit die möglichen Positionen des Wählhebels
(1) einschränkt. Die in 1a gezeigte
Wählhebelführung (8) hat eine Aussparung (9),
die für Kraftfahrzeuge mit Automatikgetriebe geeignet ist. Über
die linke Bahn sind die Positionen für P (Parkstellung),
R (Rückwärtsgang), N (Leerlauf), D (Fahrstellung)
und S (Fahrstellung, nur bis zweiter Gang) des Automatikgetriebes
verfügbar. Über die rechte Bahn, die mit der linken
Bahn so verbunden ist, dass der Wählhebel (1)
nur von einer bestimmten Stellung aus zwischen den beiden Bahnen
wechseln kann, sind die Positionen M (manuelle Gangwahl), M+ (einen
Gang hochschalten) und M– (einen Gang zurückschalten)
verfügbar.
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Die
in 1b gezeigte Wählhebelführung (8)
hat eine Aussparung (9), die für Kraftfahrzeuge mit
manuell zu betätigendem Schaltgetriebe geeignet ist. Die
Aussparung (9) erlaubt es, den Wählhebel (1) in
sechs Schaltpositionen zu bewegen, von denen sich jeweils zwei am
vorderen und am hinteren Ende einer der drei Bahnen befinden. Die
drei Bahnen sind so miteinander verbunden, dass der Wählhebel
(1) nur von einer bestimmten Stellung aus zwischen den Bahnen
wechseln kann. Die sechs Schaltpositionen entsprechen den Gängen
1 bis 5 und dem Rückwärtsgang.
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Beiden
Varianten wieder gemeinsam ist der Magnet (2), der am unteren
Ende des Schaltabschnitts (5) befestigt ist. Der Schaltabschnitt
(5) ist, ausgehend von dem Lagerelement (6), vom
Benutzer abgewandt. Die longitudinalen Achsen von Bedienabschnitt
(4) und Schaltabschnitt (5) verlaufen koaxial.
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Der
Magnet (2) ist ein Permanentmagnet, wobei Nord- und Südpol
des Permanentmagneten im Wesentlichen in einer Ebene liegen, die
senkrecht zur longitudinalen Achse des Schaltelements (5)
ist. Eine hierzu unterschiedliche Ausrichtung des Permanentmagneten
ist jedoch ebenfalls möglich.
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Unterhalb
des Magneten (2) ist ein Magnetssensorelement (3)
angeordnet, das die räumlichen Komponenten des Magnetfeldes
des Magneten (2) misst. Aus diesen Messungen lässt
sich die Stellung des Magneten (2) relativ zum Magnetsensorelement (3)
und damit auch die Position des Wählhebels (1) bestimmen.
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Das
im Wesentlichen kugelförmige Lagerelement (6)
wird in den Lagerschalen (7) mit kugelabschnittsförmigen
Innenflächen gehalten, um somit den Wählhebel
zu lagern.
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In 2 ist
eine detailliertere Darstellung des in 1a markierten
Ausschnitts gezeigt. Hier ist gezeigt, dass der Magnet (2)
ein Permanentmagnet mit einem Nordpol (2a) und einem Südpol
(2b) ist, die im Wesentlichen in einer Ebene liegen, die
senkrecht zur longitudinalen Achse des Schaltelements (5)
ist.
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Das
Magnetsensorelement (3) ist ein integriertes elektronisches
Bauteil, das zusammen mit weiteren elektronischen Bauteilen für
die Ansteuerung auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Die Leiterplatte
kann über ein Kabel mit weiteren elektronischen Schaltungen,
beispielweise zur Auswertung der vom Magnetsensorelement gelieferten
Signale, verbunden werden.
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Die
dem Magneten (2) gegenüberliegende Oberfläche
des Magnetsensorelements (3) ist in der in 1a gezeigten
Stellung des Wählhebels (1) im Wesentlichen parallel
zu der Ebene, in der Nordpol (2a) und Südpol (2b)
des Magneten (2) liegen. Dadurch lassen sich Bewegungen
des Wählhebels (1) in alle Richtungen mit ungefähr
der gleichen Genauigkeit bestimmen.
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In
den 3a–3d sind
vier Varianten einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, die sich durch die relative Anordnung von
Bedienabschnitt (4) und Schaltabschnitt (5) des
Wählhebels (1) unterscheiden.
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Ausgehend
vom Lagerelement (6) nach oben in Richtung des Griffs (10)
entsprechen alle vier Varianten der in 1b gezeigten
Variante der ersten Ausführungsform, die eine Wählhebelführung
(8) für ein manuell zu betätigendes Schaltgetriebe
aufweist.
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Im
Unterschied zur ersten Ausführungsform, bei der die longitudinalen
Achsen von Bedienabschnitt (4) und Schaltabschnitt (5)
koaxial angeordnet sind, sind bei der in den 3a–3d gezeigten zweiten
Ausführungsform die longitudinalen Achsen von Bedienabschnitt
(4) und Schaltabschnitt (5) nicht parallel zueinander.
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Dadurch
ist es möglich, den Schaltabschnitt (5) mit dem
Magneten (2) und das nahe dem Magneten (2) anzuordnende
Magnetsensorelement (3) so anzuordnen, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung für die Erfassung und Auswertung der Gangwahl
in einem Kraftfahrzeug möglichst kompakt und platzsparend
realisiert werden kann. Der in der Mittelkonsole verfügbare
Platz kann somit optimal ausgenutzt werden.
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Auch
bei der zweiten Ausführungsform ist die dem Magneten (2)
gegenüberliegende Oberfläche des Magnetsensorelements
(3) in der in den 3a–3d gezeigten
Mittelstellung des Wählhebels (1) im Wesentlichen
parallel zu der Ebene, in der Nordpol und Südpol des Magneten
(2) liegen. Dadurch lassen sich auch bei einer gewinkelten
relativen Anordnung von Betätigungsabschnitt (4)
und Schaltabschnitt (5) Bewegungen des Wählhebels
(1) in alle Richtungen mit ungefähr der gleichen
Genauigkeit bestimmen.
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Ein
beispielhafter Schaltvorgang mit einer Vorrichtung für
die Erfassung und Auswertung der Gangwahl in einem Kraftfahrzeug
gemäß der vorliegenden Erfindung läuft
folgendermaßen ab:
Der Magnet befindet sich zunächst
in einer Ausgangsschaltstellung relativ zum Magnetsensorelement,
die daraus resultierende Position des Wählhebels ist somit
eindeutig zugewiesen und der Schaltungselektronik bekannt.
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Der
Benutzer betätigt beim Schaltvorgang den Wählhebel
in die Richtung der neu zu wählenden Position. Dadurch
bewegt sich der Magnet auf einer Kreisbahn von der Ausgangsschaltstellung über mehrere
Zwischenstellungen in die Endschaltstellung der zu schaltenden Position.
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Während
dieser Bewegung misst das Magnetsensorelement die auszuwertenden
Komponenten des Magnetfelds und der Controller der Schaltungselektronik
errechnet daraus die Stellung des Magneten im Raum und vergleicht
diese mit dem abgespeicherten Layout der für den Wählhebel
verfügbaren Schaltpositionen.
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Wird
ein Schwellwert für die neue Stellung erreicht, gibt die
Sensoreinheit der Schaltungselektronik ein entsprechendes Signal
an die Steuereinheit der Schaltungselektronik. Diese löst
dann die für die neue Position relevanten Aktionen der
Aktoren z. B. in der Getriebeeinheit aus.
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- 1
- Wählhebel
- 2
- Magnet
- 2a
- Nordpol
des Magneten (2)
- 2b
- Südpol
des Magneten (2)
- 3
- Magnetsensorelement
- 4
- Bedienabschnitt
- 5
- Schaltabschnitt
- 6
- Lagerelement
- 7
- Lagerschalen
- 8
- Wählhebelführung
- 9
- Aussparung
- 10
- Griff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4108388
A1 [0003, 0003]