DE3606390A1 - Magnetischer stellungsmelder - Google Patents
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Description
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---- - "-." .Z.
" OIPt.-lNÖ. GERHARD PULS (19I2-I971)
DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PCCHMANN
DR.-ING. DIETER BEHRENS
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27.02.1986
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Stellungsmelder zum Feststellen der Lage eines axial beweglichen und schwenkbaren
Maschinenteils in Bezug auf ein ortsfestes Maschinenteil.
Es ist in verschiedenen Zusammenhängen bekannt, berührungslose magnetische Stellungsmelder einzusetzen, um die Lage eines
Maschinenteils in bezug auf ein anderes festzustellen. Eine gebräuchliche Ausführungsform eines solchen Stellungsmelders umfaßt einen an einem Maschinenteil befestigten Dauermagneten,
der so angeordnet ist, daß er mit einem Wandler zusammenwirkt, welcher auf ein magnetisches Feld anspricht und
an einem anderen Maschinenteil befestigt ist. Die Bewegung der Maschinenteile in Bezug zueinander wird vom Wandler festgestellt,
der anspricht, wenn die magnetische Feldstärke einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Die magnetische Feldstärke ist in der Nachbarschaft der Magnetpole
am größten; Magnet und Wandler sind üblicherweise derart ausgebildet, daß der Wandler ein Signal abgibt, wenn
ein Pol des Magneten in seiner Nachbarschaft ist.
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Der auf magnetische Felder ansprechende Wandler ist üblicherweise von der mit dem Halleffekt arbeitenden Bauart und spricht
sowohl auf die Richtung wie auf die Stärke des magnetischen Feldes an. In einem solchen Fall ist der Wandler so angeordnet,
daß er in erster Linie auf die magnetische Feldstärke in einer zur Richtung der Relativbewegung der Maschinenteile rechtwinkligen
Richtung anspricht. Der Magnet ist entsprechend angeordnet, so daß das magnetische Feld rings um den für die Abtastung
verwendeten Pol ebenfalls eine Richtung im wesentlichen rechtwinklig zur Relativbewegung zwischen den Maschinenteilen
erhält.
In der Praxis streut das magnetische Feld jedoch ziemlich stark, sogar um die Pole des Magneten herum. Die Folge davon
ist, daß bekannte Anordnungen mit solchen Stellungsmeldern unzuverlässige Stellungsanzeigen liefern. Außerdem kann die
Empfindlichkeit der auf magnetische Felder ansprechenden Wandler wechseln, was die Genauigkeit des Stellungsmelders
noch mehr vermindert. Um diese Nachteile zu vermindern, ist es notwendig, beim Zusammenbau bekannter Anordnungen den Luftspalt
zwischen Magnet und Wandler genau einzustellen. Selbst wenn dies getan wird, ist die Genauigkeit bekannter Stellungsmelder
recht dürftig. Die Folge davon ist, daß solche Stellungsmelder nicht verwendet werden können, wenn eine hohe
Genauigkeit erforderlich ist oder die Relativbewegung zwischen Maschinenteilen klein ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Vermeidung der genannten Nachteile einen Stellungsmelder so zu gestalten, daß
er eine besonders genaue Einstellung des Luftspalts zwischen Magnet und Wandler nicht erfordert und dennoch eine hohe Genauigkeit
aufweist.
Dies erreicht man mit zwei Feldmagneten, die starr mit dem einen, vorzugsweise dem axial beweglichen und schwenkbaren,
Maschinenteil verbunden sind, und Wandlern, die auf magneti-
" - X-
'■-' ''-' 60 148
sehe Felder ansprechen und starr mit dem anderen, vorzugsweise
dem ortsfesten Maschinenteil verbunden sind, wobei die Wandler auf das magnetische Feld rings um die freien Pole der
Magneten ansprechen.
Erfindungsgemäß ist eine solche Anordnung dadurch weitergebildet, daß
- die beiden Feldmagneten stangenförmig gestaltet und im
rechten Winkel zueinander angeordnet sind,
- jeder der beiden Feldmagneten an seinen beiden Längsseiten von parallel zu ihm angeordneten Zusatzmagneten umgeben ist,
deren freie Pole in der Nachbarschaft des freien Pols des zugehörigen Feldmagneten angeordnet sind,
- die freien Pole der beiden Feldmagneten in Bezug auf die freien Pole der benachbarten Zusatzmagneten umgekehrte Polarität
haben und
- die entgegengesetzten Pole mindestens einer Gruppe zueinander paralleler Magnete miteinander magnetisch verbunden sind,
wodurch die Ausdehnung des magnetischen Feldes um den freien Pol des jeweils zugehörigen Feldmagneten begrenzt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht, daß in der Umgebung der magnetischen Pole, in der die magnetische Feldstärke
festgestellt wird, das magnetische Feld zum benachbarten Magnetpol gerichtet ist. Der Teil des magnetischen Feldes,
auf den der Wandler ansprechen kann, ist somit schmäler, wodurch die Genauigkeit des Stellungsanzeigers gesteigert wird.
Außerdem ist es nicht nötig, den Luftspalt zwischen Magnet und Wandler so genau einzustellen wie bei bekannten gattungsgemäßen
Anordnungen.
In der Automobiltechnik läßt sich die Erfindung besonders vorteilhaft
anwenden, um bei mechanischen Schaltgetrieben den gewählten Gang anzuzeigen. Bei voll- oder halbautomatischer Betätigung
mechanischer Schaltgetriebe ist es notwendig anzuzeigen, welcher Gang eingelegt ist. Es ist bekannt, zu diesem
Zweck mechanische Schalter zu verwenden. Diese haben jedoch erhebliche Nachteile, da sie eine genaue Einstellung er-
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fordern, viel Platz beanspruchen sowie verschleißanfällig sind und somit wiederholter Wartung bedürfen.
Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, den in einem Schaltgetriebe eigelegten Gang genau anzuzeigen.
Zugleich wird die Unterbringung der Anordnung im Getriebe wesentlich erleichtert und Verschleiß wird vollständig
vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Getriebe längs der Linie B-B in Fig. 4,
Fig. 2 das Schaltschema des Getriebes,
Fig. 3 einen an der Schaltstange des Getriebes befestigten Magnethalter,
Fig. 4 eine Getriebeabdeckung mit auf Magnetfelder ansprechenden Wandlern und
Fig. 5 den Axialschnitt A-A in Fig. 3.
Der Teilschnitt in Fig. 1 zeigt eine Abdeckung 1 eines mechanischen Kraftfahrzeuggetriebes. Die Abdeckung 1 enthält
eine drehbar und axial beweglich angeordnete Schaltstange 2, mit der eine Schaltplatte 3 zum Einlegen mehrerer verschiedener
Gänge des Getriebes verbunden ist. Daraus ergeben sich verschiedene Eingriffsverhältnisse im Getriebe, um zusammengehörige
Zahnräder ein- und auszurücken. Die Schaltstange 2 ist derart angeordnet, daß sie gedreht und axial bewegt werden
kann. Diese Bewegungen lassen sich in an sich bekannter Weise mittels eines vom Fahrer zu betätigenden Schalthebels
hervorrufen, dessen Bewegungen durch Zwischenglieder auf die Schaltstange 2 übertragen werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei druckmittelbetätigte
Vorrichtungen für die Bewegungen der Schaltstange 2 vorgesehen; eine dieser Vorrichtungen steuert die Axialbewegung
und die andere die Drehbewegung der Schaltstange. Aus einer axial mittleren neutralen Stellung 4 läßt sich die Schaltstange
2 axial in beiden Richtungen verschieben und sie läßt sich auch aus einer neutralen Drehwinkelstellung 5 in beiden Richtungen
drehen (Fig. 4 und 5). Durch Kombinationen dieser Bewegungen läßt sich die Schaltstange 2 aus ihren neutralen
Stellungen 4, 5 in sechs verschiedene Schaltstellungen bringen; diese entsprechen je einem eingelegten Getriebegang R, I,
II, III, IV und V. Diese Schaltstellungen entsprechen dem Schaltschema in Fig. 2. Dabei entsprechen die axialen Verschiebungen
der Schaltstange 2 Bewegungen eines fiktiven Punktes in Querrichtung der Fig. 2; die Drehbewegungen der Schaltstange
entsprechen Bewegungen eines fiktiven Punktes in senkrechter Richtung der Fig. 2.
An die Schaltplatte 3 ist mit mehreren Schrauben 6 ein Magnethalter
7 angeschraubt. Zum Magnethalter 7 gehört eine Befestigungsplatte 8 aus Aluminium für die Befestigung an der Schaltplatte
3 sowie ein Sockel 9, an der durch Magnetkräfte sieben Permanentmagnete 10 bis 16 festgehalten sind. Die Befestigungsplatte
8, der Sockel 9 und die Magneten 10 bis 16 sind von ausgehärtetem Kunststoff, zweckmäßigerweise Epoxidharz,
umschlossen und zusammengehalten. Beim Herstellen des Magnethalters
7 sind die Magnete 10 bis 16 magnetisiert worden, ehe sie an den Sockel 9 angefügt worden sind, der aus weichmagnetischem
Material besteht.
Die Magneten 10 bis 16 sind in zwei Gruppen angeordnet, von denen die erste drei Magneten 10, 11 und 12 umfaßt, die so
ausgerichtet sind, daß sie sich quer zur Schaltstange 2 erstrecken, damit deren Drehwinkelstellung festgestellt werden
kann. Die zweite Gruppe umfaßt vier Magneten 13 bis 16, die sich in axialer Richtung der Schaltstange 2 erstrecken mit dem
Ziel, daß deren axiale Stellung abgefragt werden kann.
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Von den Magneten 10 bis 12 der ersten Gruppe hat der mittlere Magnet 11 seinen Nordpol N dem Sockel 9 zugewandt während die
anderen zwei Magneten 10 und 12 ihre Südpole S dem Sockel 9 zugewandt haben. Die zugehörigen entgegengesetzten Pole der
Magneten 10 und 12 sind radial nach außen gerichtet.
Die Magneten 13 bis 16 der zweiten Gruppe sind ähnlich angeordnet.
Ein zentraler Magnet 14 hat seinen Nordpol N dem Sockel 9 zugewandt während die anderen Magneten 13, 15 und 16
ihre Südpole S dem Sockel 9 zugewandt haben. Die jeweiligen Gegenpole der Magneten 13 bis 16 sind ebenfalls radial nach
außen gerichtet.
An der Getriebeabdeckung 1 ist mit mehreren nicht dargestellten Schrauben eine Wandlerabdeckung 18 befestigt, die eine in
ihr befestigte Schaltungsplatte 19 umschließt. Auf der Schaltungsplatte 19 sind fünf Halleffekt-Wandler 20 bis 24 angeordnet,
von denen jeder auf Richtung und Stärke eines Magnetfelds anspricht. Die Wandler 20 bis 24 und die Schaltungsplatte
19 sind am Wandlergehäuse 18 mittels ausgehärtetem Kunststoff 25, vorzugsweise Epoxidharz befestigt. Im Verhältnis zur
Schaltstange 2 ist das Wandlergehäuse 18 derart ausgerichtet, das in einer radialen Richtung nur ein enger Luftspalt 26 die
Magneten 10 bis 16 von den Wandlern 20 bis 24 trennt.
Die Ausrichtung der Wandler 20 bis 24 in Bezug zu den Magneten 10 bis 16 ergibt sich aus einer Zusammenschau von Fig. 3 und
4, wo die jeweiligen neutralen Stellungen 4 und 5 der Schaltstange mit strichpunktierten Linien angedeutet sind.
In entsprechender Weise wie die Magneten 10 bis 16 sind die Wandler 20 bis 24 in zwei Gruppen angeordnet. Eine erste Gruppe
umfaßt die drei Wandler 20 bis 24 zum Feststellen der Drehwinke Is te llung der Schaltstange 2. Zu diesem Zweck sind die
Wandler 22 bis 24 tangential zur Schaltstange 2 angeordnet. Eine zweite Gruppe umfaßt die beiden Wandler 20 und 21 zum
Feststellen der axialen Stellung der Schaltstange 2; diese Wandler sind in axialer Richtung der Schaltstange angeordnet.
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Die Wandler 20 bis 24 sind so ausgerichtet, daß ihre Empfindlichkeit
für ein radial gerichtetes Magnetfeld am größten ist. Da diese Wandler außerdem die Richtung des Magnetfelds feststellen
können, sind sie so ausgebildet, daß sie nur auf Magnetfluß in Richtung zu magnetischen Südpolen S ansprechen. Das
Magnetfeld in der Nachbarschaft eines magnetischen Nordpols N ist von den Polen nach außen gerichtet und deshalb ohne Einfluß
auf die Wandler 20 bis 24.
Fig. 5 zeigt die Magneten 11 und 13 bis 16 in einem axialen Schnitt entsprechend der Linie A-A in Fig. 3. In Fig. 5 ist
das Magnetfeld in üblicher Weise durch Feldlinien 27 zwischen den freien Polen der Magneten 13 bis 16 dargestellt. Durch die
erfindungsgemäße Anordnung des mittleren Magneten 14 mit in Bezug zu den beiden benachbarten Magneten 13 und 15 umgekehrter
Polarität wird die Ausdehnung des Magnetfeldes in der Umgebung des Südpols S des Magneten 14 begrenzt; dieses Magnetfeld
wirkt auf die Wandler 20 und 21 ein. In entsprechender Weise wird das Magnetfeld in der Umgebung des mittleren Magneten
11 durch die benachbarten Magneten 10 und 12 begrenzt.
Das jeweils zum freien Südpol S der mittleren Magneten 11 und 14 gerichtete Magnetfeld wird vom Nordpol N der jeweils benachbarten
Magneten 10 und 12 bzw. 13 und 15 abgelenkt. Infolgedessen ergibt sich auf ungefähr halbem Weg zwischen jedem
der mittleren Magneten 11 und 14 und jedem der benachbarten Magneten 10 und 12 bzw. 13 und 15 eine Grenze, außerhalb derer
der Magnetfluß die Wandler 20 bis 24 nicht erreichen kann. Der an die beiden freien Südpole S angrenzende Teil des Magnetfelds,
der die Wandler 20 bis 24 erreichen kann, hat demzufolge eine begrenzte Ausdehnung.
Von allen sieben Magneten 10 bis 16 werden nur die beiden mittleren Magneten 11 und 14 verwendet, um die Wandler 20 bis
24 zu erregen; die übrigen fünf Magneten 10, 12, 13, 15 und 16 dienen dazu, die Ausdehnung des magnetischen Feldes in der Umgebung
des jeweils zugehörigen mittleren Magneten 11 bzw. 14
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zu begrenzen. Die mittleren Magneten 11 und 14 bestehen vorzugsweise
aus einem Werkstoff mit starkem Magnetfeld, beispielsweise einer Kobalt-Samarium-Legierung. Die übrigen Magneten
10, 12, 13, 15 und 16 können aus einfacherem und billigerem magnetischen Material wie Ferrit hergestellt sein.
In der neutralen Stellung 5 des Getriebes nimmt die Schaltstange 2 eine Stellung ein, bei welcher der Magnet 11 den
Wandler 23 erregt. Wenn die Schaltstange 2 gedreht wird, was in Fig. 3 einer senkrechten Bewegung entspricht, erregt der
Magnet 11 je nach der Drehrichtung der Schaltstange 2 den Wandler 22 oder 24.
Wenn die Schaltstange 2 ihre axial mittlere, neutrale Stellung 4 einnimmt, werden die beiden Wandler 20 und 21 vom Magneten
14 nicht erregt. Bei axialer Bewegung der Schaltstange 2 wird je nach Richtung dieser Bewegung der Wandler 20 oder 21 vom
Magneten 14 erregt.
Durch unterschiedliche Kombinationen von Signalen oder durch fehlende Signale der Wandler 20 bis 24 läßt sich die Stellung
der Schaltstange 2 unzweideutig ermitteln; dies wird benutzt um anzuzeigen, welcher Gang des Getriebes eingelegt ist.
Von den Magneten 10 bis 16 können zwei oder mehr in einem Stück hergestellt sein, sofern deren Pole in der oben beschriebenen
Weise ausgerichtet sind. Eine solche Ausführung kann etwas billiger sein, ergibt aber eine geringere Genauigkeit
als die beschriebene Ausführung mit getrennten Magneten.
Claims (8)
1. Magnetischer Stellungsmelder zum Feststellen der Lage eines axial beweglichen und schwenkbaren Maschinenteils (2) in
Bezug auf ein ortsfestes Maschinenteil (1) mit zwei Feldmagneten (11, 14), die starr mit dem einen Maschinenteil (2) verr
bunden sind, und Wandlern (20 - 24), die auf magnetische FeI-der ansprechen und starr mit dem anderen Maschinenteil (1)
verbunden sind, wobei die Wandler (20 - 24) auf das magnetische Feld rings um die freien Pole der Feldmagneten (11, 14)
ansprechen,
dadurch gekennzeichnet , daß
dadurch gekennzeichnet , daß
- die beiden Feldmagneten (11, 14) stangenförmig gestaltet und
im rechten Winkel zueinander angeordnet sind,
- jeder der beiden Feldmagneten (11, 14) an seinen beiden Längsseiten von parallel zu ihm angeordneten Zusatzmagneten
(10, 12 bzw. 13, 15, 16) umgeben ist, deren freie Pole (N) in der Nachbarschaft des freien Pols (S) des zugehörigen
Feldmagneten (11 bzw. 14) angeordnet sind,
- die freien Pole (S) der beiden Feldmagneten (11, 14) in Bezug auf die freien Pole (N) der benachbarten Zusatzmagneten
(10, 12 bzw. 13, 15, 16) umgekehrte Polarität haben und
- die entgegengesetzten Pole mindestens einer Gruppe zueinan- der paralleler Magnete (10 - 12 bzw. 13 - 16) miteinander
magnetisch verbunden sind.
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2. Stellungsmelder nach Anspruch lr
dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Feldmagneten (11, 14) und die benachbarten Zusatzmagneten (10,
12, 13, 15, 16) getrennte Permanentmagneten sind, die alle durch einen magnetisch leitenden Sockel (9) miteinander
verbunden sind.
3. Stellungsmelder nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einer der Feldmagneten (11, 14) von mindestens zwei benachbarten
Zusatzmagneten (10, 12 bzw. 13, 15, 16) symmetrisch umgeben ist.
4. Stellungsmelder nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet , daß die freien Pole sämtlicher Magneten (10 - 16) sich in Richtung der Relativbewegung
der Maschinenteile (1, 2) erstrecken.
5. Stellungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn ζ e ichnet, daß mindestens einer
der auf Magnetfelder ansprechenden Wandler (20 - 24) ein nach dem Halleffekt auf die Stärke des Magnetfeldes in einer bestimmten
Richtung ansprechender Wandler ist.
6. Stellungsmelder nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß an einem der
Maschinenteile (1) mehrere mit dem Halleffekt arbeitende Wandler (20 - 24) zum Feststellen mehrerer verschiedener
Relativstellungen der Maschinenteile (1, 2) angeordnet sind.
7. Stellungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 6 an einem mechanischen Schaltgetriebe zum Anzeigen des eingelegten
Gangs, dadurch gekennzeichnet , daß die Magneten (10 - 16) an einer axial verstellbaren und dreh-
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baren Schaltstange (2) befestigt sind und der bzw. jeder auf
Magnetfelder ansprechende Wandler (20 - 24) an einer Getriebeabdeckung (1) befestigt ist.
Magnetfelder ansprechende Wandler (20 - 24) an einer Getriebeabdeckung (1) befestigt ist.
8. Stellungsmelder nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet , daß
dadurch gekennzeichnet , daß
- mehrere Magneten (10 - 16) mittels eines gemeinsamen Magnethalters
(7) an der Schaltstange (2) befestigt sind,
- mehrere auf Magnetfelder ansprechende Wandler (20 - 24), an
der Getriebeabdeckung angeordnet sind und
der Getriebeabdeckung angeordnet sind und
- die Magneten (10 - 16) und Wandler (20 - 24) in zwei Gruppen angeordnet sind, von denen eine zum Anzeigen der axialen
Stellung und die andere zum Anzeigen der Drehwinkelstellung
der Schaltstange (2) vorgesehen ist.
Stellung und die andere zum Anzeigen der Drehwinkelstellung
der Schaltstange (2) vorgesehen ist.
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