DE102009058541A1 - Schaltarretierung - Google Patents

Abstract

Schaltarretierung (1) zur Lagefixierung eines beweglichen Stellelements (12) mit einem Rastelement (5) zum Verrasten am Stellelement (12) oder einem mit dem Stellelement (12) in Wirkverbindung stehendem Bauteil, wobei das Rastelement (5) durch ein Federelement (18) gegen das Stellelement (12) vorspannbar ist, wobei die Federkraft des Federelements (18) im durch die Maximalstellungen des Rastelements (5) vorgegebenen Arbeitsbereich veränderlich ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Schaltarretierung zur Lagefixierung eines beweglichen Stellelements mit einem Rastelement zum Verrasten am Stellelement oder einem mit dem Stellelement in Wirkverbindung stehendem Bauteil, wobei das Rastelement durch ein Federelement gegen das Stellelement vorspannbar ist
• Hintergrund der Erfindung
• Eine derartige Schaltarretierung geht beispielsweise aus der DE 38 08 375 C1 hervor. Diese zeigt eine Schaltarretierung, bei der ein federbelasteter Schaltbolzen hubbeweglich in dem Gehäuse der Schaltarretierung über Wälzkörper geführt ist und ein Rastelement in einer kalottenförmigen Aufnahme des Schaltbolzens angeordnet ist.
• Derartige Schaltarretierungen dienen zum Verrasten von Gangpositionen an Schaltwellen oder an mit Schaltwellen verbundenen Bauteilen eines Getriebes. Zunehmend wird dabei die Stellung des Rastelements erfasst und an eine Steuereinheit zur Auswertung der geschalteten Gangstellung übermittelt. Insbesondere die sichere Erkennung der Neutralstellung muss stets gewährleistet sein. Daher ist ausgehend von der Neutrallage ein hoher Federweg erforderlich, um eine sichere Detektierung der Neutralstellung zu gewährleisten. Andererseits darf die Federkraft dabei nicht zu hoch werden, um das Rückstellmoment zu begrenzen und den Schaltkraftverlauf nicht negativ zu beeinflussen.
• Zur Lösung dieser gegensätzlichen Anforderungen schlägt DE 10 2007 060 577 A1 eine Entkopplung der Feder und des Rastelements vor, was in nachteiliger Weise die Bauhöhe der Schaltarretierung vergrößert und eine höhere Anzahl an Bauteilen bzw. ein komplexeres Arretiergehäuse erfordert.
• Ferner ist für den Rückwärtsgang häufig die Überwindung einer gegenüber den Vorwärtsgängen erhöhten Federkraft gefordert. Dies sorgt für einen relativ langen Federweg. Wird eine derartige Schaltarretierung als Sensorarretierung eingesetzt, muss häufig ein Kompromiss zwischen einer guten Neutrallagenerkennung und ansprechender Schalthaptik für den Rückwärtsgang eingegangen werden.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltarretierung zu schaffen, die sowohl einen vorgegebenen Schaltkraftverlauf gut abbildet, eine stets sichere Gangerkennung ermöglicht, eine kompakte Bauweise aufweist und die möglichst wenig Montageaufwand verursacht.
• Die Aufgabe ist bei einer Schaltarretierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Federkraft des Federelements im durch die Maximalstellungen des Rastelements vorgegebenen Arbeitsbereich veränderlich ist. Die Kennlinie der Feder ist folglich nicht linear, sondern abhängig von ihrer Schaltstellung. Unter Ausnutzung der Nichtlinearität können Schaltbereiche, die dem Bediener keine wesentliche Kraftänderung vermitteln sollen, wie es beim Wählen von Schaltgassen der Fall ist, durch ein Rastgebirge mit hinreichend großen Niveauunterschieden und unter Verwendung einer Feder mit einer kleinen Federkonstanten sicher voneinander unterschieden werden. Andererseits kann sich die Federkennlinie spontan ändern, sobald ein bestimmter Gang wie der Rückwärtsgang tatsächlich geschaltet werden soll. Die Nichtlinearität der Federcharakteristik ermöglicht eine Bauraumverkürzung ohne auf ein hinreichend feinfühliges Ansprechen im Neutralbereich verzichten zu müssen.
• In bevorzugter Weise wird die Federcharakteristik so gewählt, dass die verbaute Schaltarretierung bei geringen Auslenkungen aus der Neutrallage relativ leicht einfedert, um das Rückstellmoment nicht zu groß werden zu lassen und hinreichend genau die Auslenkung mittels Messtechnik erfassen zu können, während bei relativ großen Auslenkungen Kraftdifferenzen nur zu kleinen Änderungen in der Auslenkung führen, um den Federweg nicht zu groß werden zu lassen.
• Erfindungsgemäß sind verschiedene Federn für die Schaltarretierung vorgesehen. Prinzipiell sind zwar hydraulische, pneumatische oder auf elektromagnetischen Effekten beruhende Federelemente denkbar; zugunsten eines einfachen und robusten Aufbaus sind aber mechanische Federn bevorzugt. Dabei kann eine komplizierter gebaute Formfeder genauso verwendet werden wie zwei Einzelfedern, die miteinander wechselwirken.
• Die Verwendung zweier Einzelfedern ist vorteilhaft, um eine Federkennlinie zu realisieren, die stückweise linear verläuft. Derartige Federkennlinien gestatten eine besonders einfache Auslegung der Rastkontur und sind auch besonders einfach von einer Sensorik interpretierbar. Andererseits kann durch eine geeignete Auswerteeinheit jeder Auslenkung bzw. jedem Hub des Rastelements eine Position der Schaltarretierung eindeutig zugeordnet werden, sofern nur die Federkennlinie monoton steigend bzw. fallend verläuft.
• Das Rastelement kann beispielsweise auf eine Schraubenfeder mit einer kleinen Federkonstante einwirken, die ab einer bestimmten Belastung stark komprimiert ist und eine zweite Feder mit einer anderen Federkonstante beaufschlagt. Die zweite Feder muss dazu nicht notwendigerweise von der gleichen Art sein wie die erste Feder, sondern kann eine Tellerfeder oder ein Wellring sein und somit eine sehr flach bauende Feder mit gleichzeitig hoher Federkonstante.
• In einer Ausführungsform der Erfindung sind in der Schaltarretierung zwei Federn angeordnet, wobei bei Belastung aus der Ausgangsstellung zunächst nur eine erste Feder einfedert, deren Windungen sich bei einem vorbestimmten Schwellwert der ausgeübten Kraft ganz oder teilweise tot legen. Fortan wird die Federcharakteristik der Schaltarretierung durch die zweite Feder bestimmt.
• In einer Alternative ist vorgesehen, dass zwei Federn aufeinander einwirken. So sprechen die Federn nicht nacheinander an, sondern gleichzeitig unter stetiger Änderung der Federkennlinie des Gesamtsystems.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Verwendung von Formfedern vorgesehen. Die Formfeder kann als Schraubenfeder Windungen mit unterschiedlicher Windungshöhe aufweisen. Eine Alternative ist, dass die Formfeder „rückgewickelt” ist, also einen zweiten Abschnitt mit Windungen aufweist, die den Windungen des ersten Abschnitts entgegen laufen und sich beispielsweise an einer Sicke des ansonsten zylindrischen Gehäuses der Schaltarretierung abstützen. Ebenfalls denkbar ist eine mehrfache Rückwicklung. Durch ein Abstützen an der Gehäusewandung wird zudem erreicht, dass sich die Feder in dem Gehäuse zentriert. Schließlich sind erfindungsgemäß nicht nur zylindrische Schraubenfedern vorgesehen, sondern auch konische Federn.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Längsschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Schaltarretierung,
• 2 einen Längsschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Schaltarretierung,
• 3 einen Längsschnitt einer dritten erfindungsgemäßen Schaltarretierung und
• 4 einen Längsschnitt einer vierten erfindungsgemäßen Schaltarretierung.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt eine Schaltarretierung 1 mit einem Gehäuse 8 aus Stahlblech. Die Schaltarretierung 1 weist einen Schaltbolzen 2 aus Metall mit einer Kalotte 3 auf. Endseitig nach außen weisend ist am Schaltbolzen 2 eine Kugel als Rastelement 5 angeordnet, die mittels weiterer Wälzkugeln 6 in der Kalotte 3 wälzgelagert ist. Das Rastelement 5 ist gegen eine Rastkontur 4 eines als Schaltstange ausgebildeten Stellelements 12 vorgespannt.
• Der Schaltbolzen 2 ist mittels eines Wälzlagers 7 in dem Gehäuse 8 hubbeweglich gelagert und konzentrisch geführt. Der Schaltbolzen 2 ist mit einer sacklochartigen, zur Kalotte 4 rückseitigen Bohrung 9 versehen, die kreisförmig im Querschnitt ist. Endseitig zur Bohrung 9 gesehen weist der Schaltbolzen einen radial auskragenden Bord 15 auf, der sich am Wälzlager 7 abstützt und ein Herausfallen des Schaltbolzens 2 aus dem Gehäuse 8 verhindert.
• In der Bohrung 9 ist eine erste Feder 10 aufgenommen. Durch die Bohrung 9 im Schaltbolzen 2 wird eine Verkürzung der Baueinheit und somit eine Raum sparende Anordnung erreicht.
• Die vorgespannte erste Feder 10 stützt sich einerseits in der Bohrung 9 des Schaltbolzens 2 und andererseits an dem Boden 11 des topfartigen Gehäuses 8 ab. Sie ist als zylindrische Schraubendruckfeder ausgebildet, die einen linearen Kraft-Weg-Verlauf und eine vergleichsweise kleine Federkonstante besitzt.
• Neben der ersten Feder 10 ist in der Schaltarretierung 1 eine zweite Feder 14 als ringförmige Wellfeder angeordnet. Die Schraubendruckfeder 10 ist durch die Ausnehmung der Wellfeder hindurchgeführt, so dass die Kompression der Schraubendruckfeder 10 zunächst keine Wirkung auf die Wellfeder 14 hat. Federt der Schaltbolzen 2 aus der Grundstellung, der Stellung größten axialen Hervorstehens des Rastelements 5 aus dem Gehäuse 8, ein, dann wird zunächst nur die erste Feder 10 komprimiert. Wenn ein für die Anwendung entsprechend abgestimmter Federweg zurückgelegt ist, wirkt der Bord 15 des Schaltbolzens 2 auf die zweite Feder 14 ein, so dass sich bei weiterer Kompression beide Federkräfte addieren. Die zweite Feder 14 stützt sich an einem Ringabsatz 19 des Gehäuses 8 ab. Beide Federn 10, 14 zusammen bilden ein (fiktives) Federelement 18 mit einer nichtlinearen Federkennlinie. Die Federkennlinie des Gesamtsystems ist abhängig von der Höhenlage des Rastelements 5 bzw. von der Vorspannung der einzelnen Federn 10, 14.
• Vorteilhafterweise ist die Federkennlinie des Federelements 18 stückweise linear, weist also einen unstetigen Anstieg auf, womit bei einer angeschlossenen Messelektronik ein Einlernen aufgrund von Montagetoleranzen entfallen kann. Dazu weist die Schalteinheit 1 eine Sensorik 13 mit zumindest einem Signalgeber 16 und einem Sensor 17 als Signalempfänger auf. Optional weist die Sensorik 13 nicht weiter beschriebene elektronische Bauelemente auf, welche eine nicht dargestellte Auswerteelektronik bilden.
• Die Ausführung nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 dahingehend, dass die zweite Feder 14 als Tellerfeder ausgebildet ist. Dabei kann die Tellerfeder als Einzelfeder oder als Federpaket im Gehäuse 8 angeordnet sein. Sie kann bei kleinem Bauraum große Kräfte aufnehmen. Für einige Anwendungen sind Tellerfedern mit einer degressiven Kennlinie wünschenswert, da sie das Schaltgefühl eines definierten Widerstands für den Rückwärtsgang und anschließendem nachlassendem Widerstand bei Einlegen des Rückwärtsgangs unterstützen.
• 3 zeigt eine Schaltarretierung 1, bei der die erste Feder 10 als Schraubenfeder ausgebildet ist, die sich über eine Rückwicklung 20 am Gehäuse 8 der Schaltarretierung 1 abstützt bzw. dort anliegt. Bei Kompression des rückgewickelten Teils 20 ändert sich die Kennlinie des Systems abrupt. Während die Ausführung nach 3 eine einfach rückgewickelte Feder aufweist, ist die Federelement 18 in 4 mehrfach rückgewickelt.
• Bezugszeichenliste

1

Schaltarretierung

2

Schaltbolzen

3

Kalotte

4

Rastkontur

5

Rastelement

6

Wälzkörper

7

Wälzlager

8

Gehäuse

9

Sackloch

10

erste Feder

11

Boden

12

Stellelement

13

Sensorik

14

zweite Feder

15

Bord

16

Signalgeber

17

Sensor

18

Federelement

19

Ringabsatz

20

Rückwicklung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 3808375 C1 [0002]
• DE 102007060577 A1 [0004]

Claims (6)

1. Schaltarretierung (1) zur Lagefixierung eines beweglichen Stellelements (12) mit einem Rastelement (5) zum Verrasten am Stellelement (12) oder einem mit dem Stellelement (12) in Wirkverbindung stehendem Bauteil, wobei das Rastelement (5) durch ein Federelement (18) gegen das Stellelement (12) vorspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft des Federelements (18) im durch die Maximalstellungen des Rastelements (5) vorgegebenen Arbeitsbereich veränderlich ist.
2. Schaltarretierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie über den gesamten Arbeitsbereich stückweise linear ist.
3. Schaltarretierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie der Schaltarretierung (1) durch zwei mechanische Federn (10, 14) gebildet ist.
4. Schaltarretierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Feder (14) erst nach einer Anfangskompression der ersten Feder (10) einfedert.
5. Schaltarretierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Feder (10) als Schraubenfeder und die zweite Feder (14) als Wellringfeder oder als Tellerfeder ausgebildet ist.
6. Schaltarretierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (18) durch eine einfach oder mehrfach rückgewickelte Schraubenfeder ausgebildet ist.

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