DE3606390C2 - Magnetischer Stellungsmelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Stellungsmelder zum Feststellen der Lage eines axial beweglichen und schwenkbaren Maschinenteils in bezug auf ein ortsfestes Maschinenteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist in verschiedenen Zusammenhängen bekannt, berührungs­ lose magnetische Stellungsmelder einzusetzen, um die Lage ei­ nes Maschinenteils in bezug auf ein anderes festzustellen. Eine gebräuchliche Ausführungsform eines solchen Stellungs­ melders umfaßt einen an einem Maschinenteil befestigten Dauer­ magneten, der so angeordnet ist, daß er mit einem Wandler zu­ sammenwirkt, welcher auf ein magnetisches Feld anspricht und an einem anderen Maschinenteil befestigt ist. Die Bewegung der Maschinenteile in Bezug zueinander wird vom Wandler festge­ stellt, der anspricht, wenn die magnetische Feldstärke einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Die magnetische Feldstärke ist in der Nachbarschaft der Mag­ netpole am größten; Magnet und Wandler sind üblicherweise derart ausgebildet, daß der Wandler ein Signal abgibt, wenn ein Pol des Magneten in seiner Nachbarschaft ist.

Der auf magnetische Felder ansprechende Wandler ist üblicher­ weise 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 rechtwink­ ligen Richtung anspricht. Der Magnet ist entsprechend angeord­ net, so daß das magnetische Feld rings um den für die Abta­ stung 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 Luft­ spalt zwischen Magnet und Wandler genau einzustellen. Selbst wenn dies getan wird, ist die Genauigkeit bekannter Stellungs­ melder recht dürftig. Die Folge davon ist, daß solche Stel­ lungsmelder nicht verwendet werden können, wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist oder die Relativbewegung zwischen Maschinenteilen klein ist.

Aus der DE 21 47 996 A1 ist ein elektronischer Impulsgeber bekannt, der eine dem Drehwinkel einer Welle entsprechende Impulszahl abgibt. Der in einem Stromzähler eingesetzte elek­ tronische Impulsgeber weist ein umlaufendes Magnetsystem auf, das aus einem kreisscheibenförmigen Magneten mit annähernd senkrecht zur Drehachse verlaufenden Polachsen und einer auf der Drehachse mit axialem Abstand zum Magneten angeordneten, magnetisch leitenden Rückschlußplatte von ebenfalls kreis­ scheibenförmiger Gestalt besteht. Der kreisscheibenförmige Magnet hat zwei Nord- und zwei Südpole, die gegeneinander um 90° versetzt sind. Im Luftspalt zwischen Magnet und Rück­ schlußplatte sind zwei galvanomagnetische Elemente, vorzugs­ weise Magnetodioden, so angeordnet, daß sie gegeneinander um ebenfalls 90° versetzt sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß die beiden galvanomagnetischen Elemente jeweils von Flüssen entgegengesetzter Polarität durchsetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Vermeidung der genannten Nachteile einen Stellungsmelder so zu gestalten, daß er eine besondere genaue Einstellung des Luftspalts zwischen Magnet und Wandler nicht erfordert und dennoch eine hohe Genauigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, 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 zu­ gehörigen Feldmagneten angeordnet sind,
• - die freien Pole der beiden Feldmagneten in Bezug auf die freien Pole der benachbarten Zusatzmagneten umgekehrte Polari­ tät haben und
• - die entgegengesetzten Pole mindestens einer Gruppe zueinan­ der 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 Feld­ stärke festgestellt wird, das magnetische Feld zum benachbar­ ten Magnetpol gerichtet ist. Der Teil des magnetischen Feldes, auf den der Wandler ansprechen kann, ist somit schmäler, wo­ durch die Genauigkeit des Stellungsanzeigers gesteigert wird. Außerdem ist es nicht nötig, den Luftspalt zwischen Magnet und Wandler so genau einzustellen wie bei bekannten gattungsge­ mäßen Anordnungen.

In der Automobiltechnik läßt sich die Erfindung besonders vor­ teilhaft anwenden, um bei mechanischen Schaltgetrieben den ge­ wählten Gang anzuzeigen. Bei voll- oder halbautomatischer Be­ tätigung mechanischer Schaltgetriebe ist es notwendig anzu­ zeigen, 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 fordern, viel Platz beanspruchen sowie verschleißanfällig sind und somit wiederholter Wartung bedürfen.

Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, den in einem Schaltgetriebe eingelegten 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 ansprechen­ den 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 verschiede­ ner Gänge des Getriebes verbunden ist. Daraus ergeben sich verschiedene Eingriffsverhältnisse im Getriebe, um zusammen­ gehörige Zahnräder ein- und auszurücken. Die Schaltstange 2 ist derart angeordnet, daß sie gedreht und axial bewegt wer­ den 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.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei druckmittelbetä­ tigte Vorrichtungen für die Bewegungen der Schaltstange 2 vor­ gesehen; eine dieser Vorrichtungen steuert die Axialbewegung und die andere die Drehbewegung der Schaltstange. Aus einer axial mittleren neutralen Stellung 4 läßt sich die Schaltstan­ ge 2 axial in beiden Richtungen verschieben und sie läßt sich auch aus einer neutralen Drehwinkelstellung 5 in beiden Rich­ tungen drehen (Fig. 4 und 5). Durch Kombinationen dieser Be­ wegungen läßt sich die Schaltstange 2 aus ihren neutralen Stellungen 4, 5 in sechs verschiedene Schaltstellungen brin­ gen; 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 Ver­ schiebungen der Schaltstange 2 Bewegungen eines fiktiven Punk­ tes in Querrichtung der Fig. 2; die Drehbewegungen der Schalt­ stange entsprechen Bewegungen eines fiktiven Punktes in senk­ rechter Richtung der Fig. 2.

An die Schaltplatte 3 ist mit mehreren Schrauben 6 ein Magnet­ halter 7 angeschraubt. Zum Magnethalter 7 gehört eine Befesti­ gungsplatte 8 aus Aluminium für die Befestigung an der Schalt­ platte 3 sowie ein Sockel 9, an der durch Magnetkräfte sieben Permanentmagnete 10 bis 16 festgehalten sind. Die Befesti­ gungsplatte 8, der Sockel 9 und die Magneten 10 bis 16 sind von ausgehärtetem Kunststoff, zweckmäßigerweise Epoxidharz, umschlossen und zusammengehalten. Beim Herstellen des Magnet­ halters 7 sind die Magnete 10 bis 16 magnetisiert worden, ehe sie an den Sockel 9 angefügt worden sind, der aus weichmagne­ tischem 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 er­ strecken, 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.

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 ange­ ordnet. 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 dargestell­ ten Schrauben eine Wandlerabdeckung 18 befestigt, die eine in ihr befestigte Schaltungsplatte 19 umschließt. Auf der Schal­ tungsplatte 19 sind fünf Halleffekt-Wandler 20 bis 24 ange­ ordnet, von denen jeder auf Richtung und Stärke eines Magnet­ felds anspricht. Die Wandler 20 bis 24 und die Schaltungsplat­ te 19 sind am Wandlergehäuse 18 mittels ausgehärtetem Kunst­ stoff 25, vorzugsweise Epoxidharz befestigt. Im Verhältnis zur Schaltstange 2 ist das Wandlergehäuse 18 derart ausgerichtet, daß 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 Schalt­ stange 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 Grup­ pe umfaßt die drei Wandler 20 bis 24 zum Feststellen der Dreh­ winkelstellung 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.

Die Wandler 20 bis 24 sind so ausgerichtet, daß ihre Empfind­ lichkeit für ein radial gerichtetes Magnetfeld am größten ist. Da diese Wandler außerdem die Richtung des Magnetfelds fest­ stellen können, sind sie so ausgebildet, daß sie nur auf Mag­ netfluß 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 Ein­ fluß 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 umgekehr­ ter Polarität wird die Ausdehnung des Magnetfeldes in der Um­ gebung des Südpols S des Magneten 14 begrenzt; dieses Magnet­ feld wirkt auf die Wandler 20 und 21 ein. In entsprechender Weise wird das Magnetfeld in der Umgebung des mittleren Mag­ neten 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 be­ nachbarten Magneten 10 und 12 bzw. 13 und 15 abgelenkt. In­ folgedessen 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 Magnet­ felds, der die Wandler 20 bis 24 erreichen kann, hat demzufol­ ge 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 Um­ gebung des jeweils zugehörigen mittleren Magneten 11 bzw. 14 zu begrenzen. Die mittleren Magneten 11 und 14 bestehen vor­ zugsweise aus einem Werkstoff mit starkem Magnetfeld, bei­ spielsweise einer Kobalt-Samarium-Legierung. Die übrigen Mag­ neten 10, 12, 13, 15 und 16 können aus einfacherem und billi­ gerem magnetischen Material wie Ferrit hergestellt sein.

In der neutralen Stellung 5 des Getriebes nimmt die Schalt­ stange 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 be­ schriebenen Weise ausgerichtet sind. Eine solche Ausführung kann etwas billiger sein, ergibt aber eine geringere Genauig­ keit 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 Feldmagne­ ten (11, 14), die starr mit dem einen Maschinenteil (2) ver­ bunden sind, und Wandlern (20-24), die auf magnetische Fel­ der ansprechen und starr mit dem anderen Maschinenteil (1) verbunden sind, wobei die Wandler (20-24) auf das magneti­ sche Feld rings um die freien Pole der Feldmagneten (11, 14) ansprechen, 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 Zusatzmagne­ ten (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 Be­ zug 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.

2. Stellungsmelder nach Anspruch 1, 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 Relativbe­ wegung der Maschinenteile (1, 2) erstrecken.

5. Stellungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der auf Magnetfelder ansprechenden Wandler (20-24) ein nach dem Halleffekt auf die Stärke des Magnetfeldes in einer be­ stimmten 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 baren Schaltstange (2) befestigt sind und der bzw. jeder auf Magnetfelder ansprechende Wandler (20-24) an einer Getriebe­ abdeckung (1) befestigt ist.

8. Stellungsmelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mehrere Magneten (10-16) mittels eines gemeinsamen Magnet­ halters (7) an der Schaltstange (2) befestigt sind,
• - mehrere auf Magnetfelder ansprechende Wandler (20-24) an 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.