EP1192369A1 - Vorrichtung zum erfassen einer stellung eines stellelements - Google Patents
Vorrichtung zum erfassen einer stellung eines stellelementsInfo
- Publication number
- EP1192369A1 EP1192369A1 EP00965966A EP00965966A EP1192369A1 EP 1192369 A1 EP1192369 A1 EP 1192369A1 EP 00965966 A EP00965966 A EP 00965966A EP 00965966 A EP00965966 A EP 00965966A EP 1192369 A1 EP1192369 A1 EP 1192369A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- sensor
- signal
- actuating
- signal transmitters
- signal transmitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16H—GEARING
- F16H59/00—Control inputs to control units of change-speed-, or reversing-gearings for conveying rotary motion
- F16H59/68—Inputs being a function of gearing status
- F16H59/70—Inputs being a function of gearing status dependent on the ratio established
Definitions
- the invention relates to a device for detecting a position of an actuating element according to the preamble of claim 1.
- Number of pulses per unit of time and the direction of rotation of the rotary drive can be determined by comparing the two pulse sequences.
- a method for detecting the position and the direction of movement of translationally or rotationally moving parts of an assembly is known.
- counting pulses are derived in pulse sequence coded rotation direction or counting pulses with form coded in the direction of rotation.
- a disk connected to the rotary drive is provided, on which a ring is formed from a predetermined number of marks arranged in succession.
- Next to the disc is in the Area of the ring a Hall element responsive to these brands.
- DE 42 43 549 AI describes a method and a device for detecting the speed and the direction of rotation of a rotary drive, in particular for window regulators and sunroofs for motor vehicles, using a signal-emitting or signal-changing element which is connected to the rotary drive in a rotationally fixed manner, a sensor and an electronic evaluation unit, wherein when the signal-emitting or signal-changing element rotates, a periodic, direction-coded signal is produced, which is detected by the sensor and fed to the electronic evaluation unit.
- the periodic, direction-coded signal has at least one extreme value.
- the signaling element has at least one permanent magnet, which generates a magnetic field which is coded in the direction of rotation on the sensor when rotating.
- DE 196 53 785 AI describes a release device for a hydraulically operated friction clutch.
- This comprises a housing in which an annular piston is axially displaceably guided on a guide sleeve.
- the ring piston acts on a release lever of the friction clutch via a release bearing.
- the disengaging device comprises a sensor system for detecting the travel of the ring piston, which is arranged on the end face of the housing there is an annular Hall sensor which interacts with a pulse generator enclosing the annular piston.
- the central shift element in such a transmission is the main shift shaft, which is both rotated and axially displaced, i. H. which carries out a rotary and a translational positioning movement.
- the detection of torsion and displacement provides an exact statement about the gear condition.
- Desirable and evaluable information is the description of the engaged gear and a statement about the adhesion (neutral, synchronous phase, engaged gear).
- the position of the manual lever can be used to infer the shift situation in the transmission. If hydraulic or electrical switching devices are used, this is only possible to a limited extent and reliably, in particular if the switching is carried out automatically by a control unit.
- the invention has for its object to provide a device for detecting a position of an actuating element, in particular the main shift shaft of a manual transmission, which is reliable in use, inexpensive to manufacture and extremely space-saving. It is solved according to the invention by the features of claim 1. Further refinements result from the subclaims.
- control element is adjustable in two control directions and the sensor in a first
- Direction of adjustment aligned Its length corresponds at least to the maximum travel in this direction. Furthermore, a plurality of signal transmitters are arranged offset in relation to one another in a second setting direction and assume positions so defined that only one signal transmitter cooperates with the sensor at the same time and generates a signal specific for its position in the second setting direction.
- the first and second adjustment directions can correspond to translatory or rotary adjustment movements. In the case of a selector shaft as the control element, the rotary movement about an axis of rotation is generally used to select a shift gate, while a translational adjustment in the direction of the axis of rotation is used to shift the individual gears. In principle, however, it is also possible to select the alleys by means of the translatory movement, while the individual gears are shifted by the rotational movement.
- only one sensor is required which, together with signal transmitters which differ in their position relative to the sensor, in the type and / or strength of their signals, and thus in connection with the sensor, generate specific sensor signals which are produced by a sensor - ner electronic evaluation unit with respect to the position of the signal transmitter on the control element and their relative position to the sensor can be evaluated.
- the measuring range of the sensor is a multiple of the maximum travel in the first direction, the multiple corresponding to the number of signal transmitters.
- the measuring range is divided into a corresponding number of ranges, with each range being assigned a signal generator which, together with the sensor, generates a signal which identifies the position of the respective signal generator in the first actuating direction. Since the signal transmitters are arranged offset to one another in the second actuating direction and only one signal transmitter interacts with the sensor at the same time, the sensor signal can clearly determine both the position of the signal transmitter and thus the actuating element in the first actuating direction and the position of the actuating element be closed in the second setting direction.
- the signal transmitters of the individual areas can advantageously be identical to one another.
- the signal transmitters are designed differently according to their position in the second setting direction and correspondingly generate different signals on the sensor. It is not necessary that the measurement range of the sensor is a multiple of the maximum travel. The device and, in particular, the sensor are shorter, since their position in the second setting direction can be clearly recognized by the differences in the signal transmitters.
- both configurations of the invention can also be combined with one another in order to enlarge the signal spacings.
- the signal transmitters can differ from one another in different ways, e.g. in its extension in
- Direction of the first actuating direction in the type of its signal in relation to the frequency and wavelength and in the strength of its signal, which among other things can be varied by the effective distance between the signal generator and the sensor, e.g. have a different distance from the axis of rotation.
- a linear inductive, non-contact displacement sensor arranged in the vicinity of the actuating element, for example the control shaft, is suitable as the sensor and is controlled as a signal generator by at least one permanent magnet connected to the control shaft.
- a sensor which can be controlled by a permanent magnet
- the sensor is already offered by the Siemens company under the name PLCD displacement sensor, the sensor essentially consisting of a special non-magnetic core, which is wound over its entire length by a coil and on each end carries another short coil.
- a permanent magnet approximated to the sensor leads to a local magnetic saturation of the core, the position of this saturated area along the sensor axis being able to be determined by the coil system at the ends of the soft magnetic core.
- An electronic module assigned to this sensor generates a suitable Nete operating frequency and processes the sensor signals by phase-sensitive rectification, with a linear current dependent on the location of the permanent magnet is available at the output, which is a function of the ratio of the voltages emitted by the two coils.
- Ratio corresponds to the position of the permanent magnet within the measuring range determined by the longitudinal dimension of the sensor, namely in the first setting direction.
- the position of the main shift shaft in a gearbox for determining the respective shift gate and the gear engaged can be done by either dividing the shift shaft in the axial direction into several linear sections, with a plurality of permanent magnets being arranged on the outside of the shift shaft, both in the axial direction Direction as well as in the circumferential direction are offset from each other, or by the fact that on the outside of the selector shaft several permanent magnets of different dimensions are arranged in the same axial area, which are offset in the circumferential direction to each other and thus cover and characterize different rotation angle ranges, in both cases the permanent magnets with interact with a linear inductive non-contact sensor described above.
- the senor is a radiation sensor and the signal transmitters are radiation sources and / or radiation reflectors.
- Optical displacement sensors such as CCD line sensors are suitable as sensors. With these sensors, both the position of the excited cell and the width of the excited area can be read out.
- Light-emitting components that display visible or Send out visible light, such as LED components or laser components. The rays can differ in frequency and wavelength. It is possible to use a separate radiation source for each signal generator.
- only one radiation source is advantageously provided, which is arranged parallel to the sensor and interacts with reflectors on the actuating element, which serve as signal transmitters.
- the reflectors reflect the rays emitted by the radiation source in accordance with the position of the actuating element on the sensor and thus generate corresponding sensor signals.
- it makes sense to arrange the signal transmitters in the second actuating direction in order of the shift gates, in order to be able to better detect clear switching positions.
- the grading depends on the extension of the signal generator in the second direction. In order to obtain a finer gradation, it can be expedient for signal generators which are offset from one another in the first actuating direction to partially overlap in the second actuating direction. The overlap areas can then be identified as additional position areas.
- the differences in the second setting direction may be expedient for the differences in the second setting direction to merge into one another so that the positions in the second setting direction of the actuating element can be recorded continuously. If two positioning positions are recorded one after the other, the travel distance can be determined from the difference in the result. Taking the time into account, the positioning speed, the positioning acceleration, etc. can be calculated by differentiating the travel distance according to the time.
- FIG. 1 shows a circuit diagram of a multi-step transmission
- FIG. 2 shows a device according to the invention with permanent magnets as signal transmitters
- FIG. 3 shows a view of a device according to FIG. 2 in the longitudinal direction
- Fig. 4 shows a variant of FIG. 2
- Fig. 5 shows a view of a device according to FIG. 4 in the longitudinal direction
- Fig. 6 a device according to the invention with radiation sources as signal transmitters
- Fig. 7 shows a view of a device according to FIG. 6 in the longitudinal direction
- Fig. 8 shows a variant of FIG. 6,
- FIG. 9 is a view of a device according to FIG. 8 in the longitudinal direction
- Fig. 10 shows a variant of FIG. 8,
- FIG. 11 a device according to the invention with reflectors as signal transmitters
- 12 shows a view of a device according to FIG. 11 in the longitudinal direction
- FIG. 13 shows a variant of FIG. 11,
- FIG. 14 is a view of a device according to FIG. 13 in the longitudinal direction and
- FIG. 15 shows a variant of FIG. 13.
- a selector shaft of a manual transmission is shown as the actuating element 11.
- the adjusting element 11 can be moved in a first adjusting direction 7 in the direction of its axis of rotation 20 and in a second Stellri 'rect be rotated about the axis of rotation 20.
- the lanes I, II, III, IV of the transmission are selected (FIG. 1), in which, starting from a neutral position N, five forward gears 1 to 5 and one reverse gear R can be shifted in the second setting direction 8.
- a first shift position S1 for the reverse gear R and the forward gears 1, 3, 5 and a second shift position S2 for the forward gears 2 and 4 are achieved symmetrically to the neutral position N.
- An elongated sensor 13, 14 is aligned parallel to the actuating element 11, which in the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 5 is an inductive, contactless displacement sensor, which essentially consists of a special soft magnetic core, and which has a length of one Coil is wrapped. At its ends it carries a short coil 39, 40, which are connected via terminals 41, 42 to a generally electronic evaluation unit 43.
- the actuating element 11 which in the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 5 is an inductive, contactless displacement sensor, which essentially consists of a special soft magnetic core, and which has a length of one Coil is wrapped. At its ends it carries a short coil 39, 40, which are connected via terminals 41, 42 to a generally electronic evaluation unit 43.
- two essentially identical permanent magnets 15 and 16 are attached to the actuating element 11 as signal generators, namely in the second actuating direction 8, that is to say offset in the circumferential direction of the actuating element 11 by the distance which corresponds to the distance between alleys I and II.
- the axial direction ie in the first adjustment direction 7, they are offset by at least an amount that corresponds to the maximum adjustment path 6.
- the sensor 13 has a measuring range 10, which corresponds to at least a multiple of the maximum travel 6, which is determined by the number of permanent magnets 15, 16.
- Each of the permanent magnets 15 and 16 is thus assigned a sub-area of the measuring area 10 which corresponds at least to the maximum actuating travel 6.
- the permanent magnets 17, 18, 19 acting as signal transmitters have a different length 36, 37, 38 in the first setting direction 7 and thus generate specific, identifiable sensor signals .
- the measuring range 10 of the sensor 13 therefore only needs to correspond to the maximum travel 6 in order to To be able to clearly identify the position of the adjusting element 11 in the first adjusting direction 7 and in the second adjusting direction 8.
- FIGS. 6 and 7 and according to FIGS. 9 and 10 are similar to the previously described embodiments. They differed from them essentially in that radiation sources 21 to 25 serve as signal transmitters. 6 and 7, these are offset in the circumferential direction corresponding to the distance of the lanes I to IV in the second actuating direction 8 to the actuating element 11, while the radiation sources 23 to 25 differ from one another in terms of their radiation quality, for example in that first adjustment direction 7 have different lengths 36 to 38.
- the radiation sources 21 to 25 emit any visible or invisible rays and work together with appropriate sensors.
- light-emitting LED components or laser elements can work together with an optical sensor 14, for example a CCD line sensor, with which both the position of the excited cell and the width of the excited measuring zone 33, 34 can be read out.
- This information can be used to determine which of the radiation sources 23 to 25 is currently interacting with the sensor 14 and what its position is in relation to the first actuating direction 7.
- the second adjusting direction 8 of the adjusting element 11 does not necessarily have to be a direction of rotation, two translatory adjusting movements and corresponding positions can also be determined.
- 10 shows an actuating element 12 with two linear actuating directions, namely a first actuating direction 7 and a second actuating direction 9.
- the beams 35 of the different radiation sources 23 to 25 hit a measuring zone 34 of the sensor 14. They generate sensor signals there, which are also characterized by the position of the measuring zone 34 in the first setting direction 7, so that for each position in the first and second
- a stationary radiation source 26 interacts with reflectors 27 to 31, which are attached to the actuating element 11 or 12 as signal transmitters.
- the radiation source 26 emits rays 32 which reflect the reflectors 27 to 31 onto the sensor 14 in a measuring zone 34 or 35.
- the signals obtained from the sensor 14 are evaluated by an evaluation unit 43 in the same way as in the other embodiments.
- the signals of the permanent magnets 15 to 19 serving as signal generators, the radiation sources 21 to 25 and the reflectors 27 to 31 can also be differentiated by the signal strength, for example by having a different effective distance 44 (FIG. 3) from the sensor 13, 14 ,
- the effective distance 44 can be determined by the distance of the signal generator from the axis of rotation 20.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Erfassen einer Stellung eines Stellelements (11, 12) mit mindestens einem Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31), der mit einem in einer Stellrichtung (7) langgestreckten Sensor (13, 14) zusammenwirkt, der als Bezugspunkt dient und ein Signal erzeugt, das der Stellung des Signalgebers (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) bezogen auf die Stellrichtung entspricht. Es wird vorgeschlagen, dass das Stellelement (11, 12) in zwei Stellrichtungen (7, 8 bzw.9) verstellbar ist, der Sensor (13, 14) in einer ersten Stellrichtung (7) ausgerichtet ist und seine Länge mindestens dem maximalen Stellweg (6) in dieser Stellrichtung (7, 8 bzw.9) entspricht, wobei mehrere Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) in einer zweiten Stellrichtung (8, 9) versetzt zueinander angeordnet sind.
Description
Vorrichtung zum Erfassen einer Stellung eines Stellelements
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Stellung eines Stellelements nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen der Bewegungen von Wellen sind vielfältig bekannt und insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik für Steuerzwecke notwendig. So ist es z.B. üblich, die Drehzahl und die Drehrichtung eines Drehantriebs mittels zweier um 90° versetzt zueinander angeordneter Hallsensoren zu ermitteln. Dazu wird zentrisch auf der Drehantriebsachse ein mit dieser drehfest verbunde- ner Ringmagnet angeordnet. Bei Rotation des Ringmagneten werden die beiden seitlich des Ringmagneten angeordneten Hallsensoren jeweils von einem veränderlichen Magnetfeld durchsetzt. Die an den beiden Sensoren auftretenden Magnetfeldänderungen werden in zueinander versetzte binäre Im- pulsfolgen umgesetzt. Die Drehzahl kann durch Zählen der
Impulsanzahl pro Zeiteinheit und die Drehrichtung des Drehantriebs durch Vergleich der beiden Impulsfolgen bestimmt werden.
Aus der DE 40 38 284 AI ist ein Verfahren zum Erfassen der Position und der Bewegungsrichtung translatorisch oder rotatorisch bewegter Teile eines Aggregats bekannt. Aus einem Drehantrieb des Aggregates werden Zählimpulse in drehrichtungscodierten Impulsfolgen oder Zählimpulse mit drehrichtungscodierter Form abgeleitet. Dazu ist eine mit dem Drehantrieb verbundene Scheibe vorgesehen, auf der ein Ring aus einer vorbestimmten Anzahl in Folgen angeordneter Marken ausgebildet ist. Neben der Scheibe befindet sich im
Bereich des Rings ein auf diese Marken ansprechendes Hallelement.
Die DE 42 43 549 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und der Drehrichtung eines Drehantriebs, insbesondere für Fensterheber und Schiebedächer für Kraftfahrzeuge, unter Verwendung eines mit dem Drehantrieb drehfest verbundenen signalgebenden oder signalverändernden Elements, eines Sensors sowie einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei bei Rotation des signalgebenden oder signalverändernden Elements ein periodisches, drehrichtungscodiertes Signal entsteht, das vom Sensor erfaßt und der elektronischen Auswerteeinheit zugeführt wird. Das periodische, drehrichtungscodierte Signal weist mindestens einen Extremwert auf. Bei Annäherung von unterschiedlichen Seiten an den Extremwert liegen unterschiedlich ansteigende bzw. abfallende Signalamplituden vor und/oder sind die Extremwerte bezüglich einer 360° Periode ungleichmäßig verteilt, mit mindestens einer Teilung, die ungleich dem Verhältnis von 360° zu der Anzahl der Extremwerte ist. Das signalgebende Element weist mindestens einen Permanentmagneten auf, der bei Rotation ein drehrichtungscodiertes Magnetfeld am Sensor erzeugt.
Schließlich beschreibt die DE 196 53 785 AI eine Ausrückvorrichtung für eine hydraulisch betätigte Reibungskupplung. Diese umfaßt ein Gehäuse, in dem auf einer Führungshülse ein Ringkolben axial verschiebbar geführt ist. Der Ringkolben wirkt über ein Ausrücklager auf einen Aus- rückhebel der Reibungskupplung. Die Ausrückvorrichtung umfaßt ein Sensorsystem zur Stellwegerfassung des Ringkolbens, das aus einem stirnseitig am Gehäuse angeordneten
kreisringförmigen Hallsensor besteht, der mit einem den Ringkolben umschließenden Impulsgeber zusammenwirkt.
Bei Schaltgetrieben in Kraftfahrzeugen, die mit Zug- kraftunterbrechung geschaltet werden, besteht oftmals der Wunsch, über elektrische Signale den Schaltzustand des Getriebes zu ermitteln und dies auch, wenn das Fahrzeug steht oder das Getriebe momentan nicht geschaltet wird. Mit derartigen Informationen lassen sich Strategien für das An- triebsstrangmanagement festlegen, Synchronisationsabläufe steuern und Schaltungen automatisieren.
Das zentrale Schaltelement in einem solchen Schaltgetriebe ist die Hauptschaltwelle, die sowohl verdreht als auch axial verschoben wird, d. h. die eine rotatorische und eine translatorische Stellbewegung ausführt. Das Erfassen von Verdrehung und Verschiebung liefert als Ergebnis eine exakte Aussage über den Getriebezustand. Wünschenswerte und auswertbare Informationen sind dabei die Bezeichnung des eingelegten Gangs und eine Aussage über den Kraftschluß (neutral, Synchronphase, eingelegter Gang) . Bei mechanischen Handschaltgetrieben kann aus der Stellung des Handschalthebels auf die Schaltsituation im Getriebe geschlossen werden. Werden hydraulische oder elektrische Schaltmit- tel verwendet, ist dies nur bedingt möglich und zuverlässig, insbesondere wenn die Schaltung durch eine Steuereinheit automatisch durchgeführt wird.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die zu messenden Grö- ßen, Weg und Winkel, voneinander zu entkoppeln und durch zwei unabhängige Sensoren zu erfassen. Dieses können zwei Wegsensoren oder auch zwei Winkelsensoren sein oder aber eine Kombination aus Wegsensor und Winkelsensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen einer Stellung eines Stellelements insbesondere der Hauptschaltwelle eines Schaltgetriebes zu schaffen, die zuverlässig im Einsatz, preisgünstig in der Herstellung und äußerst raumsparend ist. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach der Erfindung ist das Stellelement in zwei Stell- richtungen verstellbar und der Sensor in einer ersten
Stellrichtung ausgerichtet. Seine Länge entspricht mindestens dem maximalen Stellweg in dieser Stellrichtung. Ferner sind mehrere Signalgeber in einer zweiten Stellrichtung versetzt zueinander angeordnet und nehmen so definierte Lagen ein, daß jeweils nur ein Signalgeber gleichzeitig mit dem Sensor zusammenwirkt und ein für seine Lage in der zweiten Stellrichtung spezifisches Signal erzeugt. Die erste und zweite Stellrichtung können translatorischen oder rotatorischen Stellbewegungen entsprechen. Im Falle einer Schaltwelle als Stellelement wird in der Regel die Drehbewegung um eine Drehachse zur Wahl einer Schaltgasse benutzt, während eine translatorische Verstellung in Richtung der Drehachse zum Schalten der einzelnen Gänge genutzt wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, durch die translatorische Bewegung die Gassen zu wählen, während durch die Rotationsbewegung die einzelnen Gänge geschaltet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nur ein Sen- sor erforderlich, der zusammen mit Signalgebern, die sich durch ihre Lage zum Sensor, durch die Art und/oder Stärke ihrer Signale unterscheiden, und somit in Verbindung mit dem Sensor spezifische Sensorsignale erzeugen, die von ei-
ner elektronischen Auswerteeinheit bezüglich der Lage der Signalgeber am Stellelement sowie deren relative Lage zum Sensor ausgewertet werden.
Dadurch kann mit einem einzigen Sensor die Stellung des Stellelements, z.B. die Position der Hauptschaltwelle in einem Stufengetriebe in zwei Stellrichtungen ermittelt werden. Der erforderliche Aufwand und Bauraum sind sehr klein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Meßbereich des Sensors ein Vielfaches des maximalen Stellwegs in der ersten Stellrichtung, wobei das Vielfache der Anzahl der Signalgeber entspricht. Der Meßbereich ist in entsprechend viele Bereiche aufgeteilt, wobei jedem Bereich ein Signalgeber zugeordnet ist, der mit dem Sensor ein Signal erzeugt, das der Stellung des jeweiligen Signalgebers in der ersten Stellrichtung kennzeichnet. Da die Signalgeber in der zweiten Stellrichtung versetzt zueinander ange- ordnet sind und immer nur ein Signalgeber gleichzeitig mit dem Sensor zusammenwirkt, kann aus dem Sensorsignal eindeutig sowohl auf die Lage des Signalgebers und damit des Stellelements in der ersten Stellrichtung als auch auf die Lage des Stellelements in der zweiten Stellrichtung ge- schlössen werden. In dieser Ausgestaltung können die Signalgeber der einzelnen Bereiche in vorteilhafter Weise einander gleich sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Signalgeber entsprechend ihrer Lage in der zweiten Stellrichtung unterschiedlich ausgebildet sind und entsprechend unterschiedliche Signale am Sensor erzeugen. Hierbei ist es nicht erforderlich, daß der Meßbe-
reich des Sensors ein Vielfaches des maximalen Stellwegs beträgt. Die Vorrichtung und insbesondere der Sensor bauen kürzer, da durch die Unterschiede der Signalgeber eindeutig ihre Lage in der zweiten Stellrichtung erkannt werden kann. Allerdings können auch beide Ausgestaltungen der Erfindung miteinander kombiniert werden, um die Signalabstände zu vergrößern.
Die Signalgeber können sich in verschiedener Weise un- tereinander unterscheiden, z.B. in ihrer Erstreckung in
Richtung der ersten Stellrichtung, in der Art ihres Signals in Bezug auf die Frequenz und Wellenlänge und in der Stärke ihres Signals, die u.a. durch den Wirkabstand zwischen dem Signalgeber und dem Sensor variiert werden kann, indem die Signalgeber z.B. einen unterschiedlichen Abstand zur Drehachse aufweisen.
Als Sensor eignet sich ein in der Nähe des Stellelements, z.B. der Schaltwelle, angeordneter linearer indukti- ver berührungsloser Wegsensor, der von mindestens einem mit der Schaltwelle verbundenen Permanentmagneten als Signalgeber angesteuert wird. Ein derartiger Sensor, der von einem Dauermagneten ansteuerbar ist, wird bereits von der Firma Siemens unter der Bezeichnung PLCD-Wegsensor angeboten, wobei der Sensor im wesentlichen aus einem speziellen nicht magnetischen Kern besteht, der auf seiner gesamten Länge von einer Spule umwickelt ist und an den Enden je eine weitere kurze Spule trägt. Ein an den Sensor angenäherter Dauermagnet führt zu einer lokalen magnetischen Sättigung des Kerns, wobei die Position dieses gesättigten Bereiches entlang der Sensorachse durch das Spulensystem an den Enden des weichmagnetischen Kerns ermittelt werden kann. Ein diesem Sensor zugeordnetes Elektronikmodul erzeugt eine geeig-
nete Betriebsfrequenz und verarbeitet die Sensorsignale durch phasenempfindliche Gleichrichtung, wobei am Ausgang ein linear vom Ort des Dauermagneten abhängiger Strom zur Verfügung steht, der eine Funktion des Verhältnisses der von den beiden Spulen abgegebenen Spannungen ist. Dieses
Verhältnis entspricht der Lage des Dauermagneten innerhalb des durch die Längsabmessung des Sensors bestimmten Meßbereichs, nämlich in der ersten Stellrichtung.
Erfindungsgemäß kann die Stellung der Hauptschaltwelle in einem Schaltgetriebe zum Ermitteln der jeweiligen Schaltgasse und des eingelegten Gangs dadurch erfolgen, daß entweder die Schaltwelle in axialer Richtung in mehrere lineare Abschnitte unterteilt ist, wobei auf der Außenseite der Schaltwelle mehrere Permanentmagnete angeordnet sind, die sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, oder dadurch, daß auf der Außenseite der Schaltwelle mehrere Permanentmagnete unterschiedlicher Abmessungen in demselben axialen Bereich angeordnet sind, die in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind und somit unterschiedliche Drehwinkelbereiche abdecken und kennzeichnen, wobei in beiden Fällen die Permanentmagnete mit einem ihnen zugeordneten oben beschriebenen linearen induktiven berührungslosen Sensor zusammenwirken.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor ein Strahlungssensor und die Signalgeber sind Strahlungsquellen und/oder Strahlungsreflektoren. Als Sensoren eignen sich z.B. optische Wegsensoren wie CCD-Zeilen- sensoren. Mit diesen Sensoren kann sowohl die Lage der angeregten Zelle als auch die Breite des angeregten Bereichs ausgelesen werden. Als Signalgeber sind lichtaussendende Bauelemente in Betracht zu ziehen, die sichtbares oder un-
sichtbares Licht aussenden, wie z.B. LED-Bauelemente oder Laserbauelemente. Die Strahlen können sich hinsichtlich ihrer Frequenz und Wellenlänge unterscheiden. Es ist möglich, für jeden Signalgeber eine separate Strahlungsquelle zu verwenden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch in vorteilhafter Weise nur eine Strahlungsquelle vorgesehen, die parallel zum Sensor angeordnet ist und mit Reflektoren auf dem Stellelement zusammenwirkt, die als Signalgeber dienen. Die Reflektoren reflektieren die von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlen entsprechend der Stellung des Stellelements auf den Sensor und erzeugen somit entsprechende Sensorsignale. Für Schaltzwecke in Schaltgetrie- ben ist es sinnvoll, die Signalgeber in der zweiten Stellrichtung entsprechend den Schaltgassen gestuft anzuordnen, um eindeutige Schaltpositionen besser erfassen zu können. Dabei hängt die Stufung von der Erstreckung der Signalgeber in der zweiten Stellrichtung ab. Um eine feinere Abstufung zu erhalten, kann es zweckmäßig sein, daß sich Signalgeber, die in der ersten Stellrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, in der zweiten Stellrichtung teilweise überlappen. Die Überlappungsbereiche können dann als zusätzliche Positionsbereiche identifiziert werden.
Unterscheiden sich die einzelnen Signalgeber untereinander, kann es zweckmäßig sein, daß die Unterschiede in der zweiten Stellrichtung stufenlos ineinander übergehen, so daß die Positionen in der zweiten Stellrichtung des Stelle- lements stufenlos erfaßt werden können.
Werden zwei Stellpositionen nacheinander erfaßt, kann aus der Differenz im Ergebnis der Stellweg ermittelt werden. Unter Berücksichtigung der Zeit kann durch Differenzierung des Stellwegs nach der Zeit die Stellgeschwindig- keit, die Stellbeschleunigung usw. errechnet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbei- spiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Stufengetriebes, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Dauermagneten als Signalgeber, Fig. 3 eine Ansicht einer Vorrichtung nach Fig. 2 in Längsrichtung,
Fig . 4 eine Variante zu Fig. 2,
Fig . 5 eine Ansicht einer Vorrichtung nach Fig. 4 in Längsrichtung,
Fig . 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Strah- lungsquellen als Signalgeber,
Fig . 7 eine Ansicht einer Vorrichtung nach Fig. 6 in Längsrichtung,
Fig . 8 eine Variante zu Fig. 6,
Fig. 9 eine Ansicht einer Vorrichtung nach Fig. 8 in Längsrichtung,
Fig . 10 eine Variante zu Fig. 8,
Fig . 11 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Reflektoren als Signalgeber,
Fig. 12 eine Ansicht einer Vorrichtung nach Fig. 11 in Längsrichtung, Fig. 13 eine Variante zu Fig. 11,
Fig. 14 eine Ansicht einer Vorrichtung nach Fig. 13 in Längsrichtung und
Fig. 15 eine Variante zu Fig. 13.
Als Stellelement 11 ist in den Fig. 2 bis 9 und Fig. 11 bis 14 eine Schaltwelle eines nicht näher dargestellten Schaltgetriebes dargestellt. Das Stellelement 11 kann in einer ersten Stellrichtung 7 in Richtung seiner Drehachse 20 verschoben und in einer zweiten Stellri'chtung 8 um die Drehachse 20 gedreht werden. In der zweiten Stellrichtung 8 werden die Gassen I, II, III, IV des Getriebes gewählt (Fig. 1), in denen ausgehend von einer Neutralstellung N fünf Vorwärtsgänge 1 bis 5 und ein Rückwärtsgang R in der zweiten Stellrichtung 8 geschaltet werden können. An den Enden eines maximalen Stellwegs 6 in der ersten Stellrichtung 7 werden symmetrisch zur Neutralstellung N eine erste Schaltstellung Sl für den Rückwärtsgang R und die Vorwärtsgänge 1, 3, 5 sowie eine zweite Schaltstellung S2 für die Vorwärtsgänge 2 und 4 erreicht.
Parallel zum Stellelement 11 ist ein länglicher Sensor 13, 14 ausgerichtet, der in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 bis Fig. 5 ein induktiver, berührungsloser Wegsensor ist, der im wesentlichen aus einem speziellen weichmagnetischen Kern besteht, und der auf seiner gesamten Länge von einer Spule umwickelt ist. An seinen Enden trägt er je eine kurze Spule 39, 40, die über Klemmen 41, 42 an einer in der Regel elektronischen Auswerteeinheit 43 angeschlossen sind.
Von den vier Wählpositionen für die Gassen I bis IV sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei, nämlich die Wählposition für die Gasse I und II, in Fig. 2 und den folgenden Figuren dargestellt. Bei der Ausführung nach Fig. 2 und Fig. 3 sind auf dem Stellelement 11 als Signalgeber zwei im wesentlichen gleiche Permanentmagnete 15 und 16 angebracht, und zwar in der zweiten Stellrichtung 8, also in Umfangsrichtung des Stellelements 11 um den Abstand versetzt, der dem Abstand zwischen den Gassen I und II ent- spricht. In axialer Richtung, also in der ersten Stellrichtung 7, sind sie um mindestens einen Betrag versetzt, der dem maximalen Stellweg 6 entspricht. Der Sensor 13 besitzt einen Meßbereich 10, der mindestens einem Vielfachen des maximalen Stellwegs 6 entspricht, das durch die Anzahl der Permanentmagnete 15, 16 bestimmt ist. Somit ist jedem der Permanentmagnete 15 und 16 ein Teilbereich des Meßbereichs 10 zugeordnet, der mindestens dem maximalen Stellweg 6 entspricht. Da aufgrund des Versatzes in der zweiten Stellrichtung 8 immer nur ein Permanentmagnet 15 oder 16 mit dem Sensor 13 zusammenwirkt, können bestimmte Signalbereiche des Sensors 13 einem bestimmten Signalgeber 15 oder 16 und damit einer bestimmten Gasse I bis IV zugeordnet werden. Die Lage der als Signalgeber wirkenden Permanentmagnete 15, 16 in der zweiten Stellrichtung 8 kann durch die Drehwin- kelposition φτ und φπ definiert werden.
Die Ausführungen nach Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführung dadurch, daß die als Signalgeber wirkenden Permanentmagnete 17, 18, 19 in der er- sten Stellrichtung 7 eine unterschiedliche Länge 36, 37, 38 aufweisen und somit spezifische, identifizierbare Sensorsignale erzeugen. Der Meßbereich 10 des Sensors 13 braucht daher nur dem maximalen Stellweg 6 zu entsprechen, um die
Stellung des Stellelements 11 in der ersten Stellrichtung 7 und in der zweiten Stellrichtung 8 eindeutig identifizieren zu können.
Die Ausführung nach Fig. 6 und Fig. 7 sowie nach Fig. 9 und 10 ähneln den vorher beschriebenen Ausführungen. Sie unterschieden sich von diesen im wesentlichen dadurch, daß als Signalgeber Strahlungsquellen 21 bis 25 dienen. Bei der Ausführung nach Fig. 6 und 7 sind diese in Umfangsrichtung entsprechend dem Abstand der Gassen I bis IV in der zweiten Stellrichtung 8 versetzt am Stellelement 11 angebracht, während die Strahlungsquellen 23 bis 25 sich im Bezug auf ihre Strahlungsqualität untereinander unterscheiden, z.B. in der ersten Stellrichtung 7 unterschiedliche Längen 36 bis 38 haben. Die Strahlungsquellen 21 bis 25 senden beliebige sichtbar oder unsichtbare Strahlen aus und arbeiten mit entsprechenden Sensoren zusammen. Es können z.B. lichtaussendende LED-Bauelemente oder Laserelemente mit einem optischen Sensor 14, z.B. einem CCD-Zeilensensor zusammen- arbeiten, mit denen sowohl die Lage der angeregten Zelle als auch die Breite der angeregten Meßzone 33, 34 ausgelesen werden kann. Aus dieser Information kann ermittelt werden, welche der Strahlungsquellen 23 bis 25 momentan mit dem Sensor 14 zusammenwirkt und wie ihre Lage im Bezug auf die erste Stellrichtung 7 ist. Die zweite Stellrichtung 8 des Stellelements 11 muß nicht notwendigerweise eine Drehrichtung sein, es können auch zwei translatorische Stellbewegungen und entsprechende Positionen festgestellt werden. So zeigt die Ausführung nach Fig. 10 ein Stellelement 12 mit zwei linearen Stellrichtungen, nämlich einer ersten Stellrichtung 7 und einer zweiten Stellrichtung 9.
Die Strahlen 35 der sich unterscheidenden Strahlungsquellen 23 bis 25 treffen auf eine Meßzone 34 des Sensors 14. Sie erzeugen dort Sensorsignale, die zudem durch die Lage der Meßzone 34 in der ersten Stellrichtung 7 geprägt sind, so daß für jede Stellung in der ersten und zweiten
Stellrichtung 7, 8 ein unverwechselbares Sensorsignal entsteht.
Die Ausführungen nach Fig. 6 bis Fig. 10 können da- durch vereinfacht werden, daß eine ortsfeste Strahlungsquelle 26 mit Reflektoren 27 bis 31 zusammenwirkt, die als Signalgeber an dem Stellelement 11 bzw. 12 angebracht sind. Die Strahlungsquelle 26 sendet Strahlen 32 aus, die die Reflektoren 27 bis 31 auf den Sensor 14 in einer Meßzone 34 bzw. 35 reflektieren. Die gewonnenen Signale des Sensors 14 werden durch eine Auswerteeinheit 43 in gleicher Weise ausgewertet wie bei den anderen Ausführungen.
Die Signale der als Signalgeber dienenden Permanent- magnete 15 bis 19, der Strahlungsquellen 21 bis 25 und der Reflektoren 27 bis 31 können auch durch die Signalstärke differenziert werden, z.B. indem sie einen unterschiedlichen Wirkabstand 44 (Fig. 3) zum Sensor 13, 14 aufweisen. Der Wirkabstand 44 kann durch den Abstand des Signalgebers von der Drehachse 20 bestimmt werden.
Bezugszeichen
1 Erster Gang 29 Reflektor
2 Zweiter Gang 30 Reflektor
3 Dritter Gang 31 Reflektor
4 Vierter Gang 32 Strahl
5 Fünfter Gang 33 Meßzone
6 Stellweg 34 Meßzone
7 Erste Stellrichtung 35 Strahl
8 Zweite Stellrichtung 36 Länge
9 Zweite Stellrichtung 37 Länge
10 Meßbereich 38 Länge
11 Stellelement 39 Spule
12 Stellelement 40 Spule
13 Sensor 41 Klemme
14 Sensor 42 Klemme
15 Permanentmagnet 43 Auswerteeinheit
16 Permanentmagnet 44 Wirkabstand
17 Permanentmagnet Φi Drehwinkel
18 Permanentmagnet (pn Drehwinkel
19 Permane tmagnet 20 Drehachse
21 Strahlungsquelle I Erste Gasse
22 Strahlungsquelle II Zweite Gasse
23 Strahlungsquelle III Dritte Gasse
24 Strahlungsquelle IV Vierte Gasse
25 Strahlungsquelle R Rückwärtsgang 26 Strahlungsquelle N Neutralstellung 27 Reflektor 51 Erste Schaltstellung
27 Reflektor 52 Zweite Schaltstellung
Claims
1. Vorrichtung zum Erfassen einer Stellung eines Stellelements (11, 12) mit mindestens einem Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31), der mit einem in einer Stellrichtung (7) langgestreckten Sensor (13, 14) zusammenwirkt, der als Bezugspunkt dient und ein Signal erzeugt, das der Stellung des Signalgebers (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) bezogen auf die Stellrichtung entspricht, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Stellelement (11, 12) in zwei Stellrichtungen (7, 8 bzw.9) verstellbar ist, der Sensor (13, 14) in einer ersten Stellrichtung (7) ausgerichtet ist und seine Länge mindestens dem maximalen Stellweg (6) in dieser Stellrichtung (7, 8 bzw.9) entspricht, wobei mehrere Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) in einer zweiten Stellrichtung (8, 9) versetzt zueinander angeordnet sind und so definierte Lagen einnehmen, daß jeweils nur ein Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) gleichzeitig mit dem Sensor (13, 14) zusammenwirkt und ein für seine Lage in der zweiten Stellrichtung (8, 9) spezifisches Signal erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t , daß der Meßbereich (10) des
Sensors (13, 14) ein Vielfaches, das der Anzahl der Signalgeber (15, 16; 21, 22; 27, 28) entspricht, des maximalen Stellwegs (6) in der ersten Stellrichtung (7) beträgt und in entsprechend viele Bereiche (6) aufgeteilt ist, wobei jedem Bereich (6) ein Signalgeber (15, 16; 21, 22; 27, 28) zugeordnet ist, der mit dem Sensor (13, 14) ein Signal erzeugt, das der Stellung des jeweiligen Signalgebers (15, 16; 21, 22; 27, 28) in der ersten Stellrichtung (7) kennzeichnet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Signalgeber (15, 16; 21, 22; 27, 28) der einzelnen Bereiche (6) einander gleich sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da- durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalgeber
(17 bis 19, 23 bis 25, 29 bis 31) entsprechend ihrer Lage in der zweiten Stellrichtung (8, 9) unterschiedlich ausgebildet sind und entsprechend unterschiedliche Signale am Sensor (13, 14) erzeugen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sich die Wirkab- stände (44) der Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) vom Sensor (13, 14) unterscheiden, so daß sich die Stärke der am Sensor (13, 14) erzeugten Signale entsprechend unterscheiden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (13) aus einem langgestreckten magnetischen Kern besteht, der über seiner gesamten Länge von einer Spule umwickelt ist und dessen beide Enden mit je einer weiteren kurzen Spule (39, 40) versehen sind, die mit einer elektronischen Auswerteeinheit (43) verbunden sind, wobei als Signalgeber (15 bis 19) Permanentmagnete gleicher oder unterschiedlicher Länge dienen, die in der Nähe des Sensors (13) zu einer Variation der lokalen magnetischen Sättigung des Kerns führen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (14) ein Strahlungssensor ist und die Signalgeber Strahlungsquellen (21 bis 25) und/oder Strahlungsreflektoren (27 bis 31) sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (14) ein optischer Sensor ist und die Signalgeber (21 bis 25, 27 bis 31) lichtaussendende Bauelemente bzw. lichtreflektierende Reflektoren sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Stel- lelement (11) eine Schaltwelle eines Stufengetriebes ist, deren erste Stellrichtung (7) linear und deren zweite Stellrichtung (8) eine Drehrichtung ist oder umgekehrt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalgeber (15 bis 19, 21 bis 25, 27 bis 31) in Stufen zueinander versetzt sind und ihre Erstreckung in der zweiten Stellrichtung (8, 9) kleiner ist als der Stufensprung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sich die Signalgeber (15, 16; 21, 22; 27, 28) in der zweiten Stellrichtung (8, 9) überlappen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß aus zwei nacheinander erfaßten Stellungen mit einer Auswerteeinheit (43) der Stellweg ermittelt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch einmalige bzw. mehrmalige Ableitung des Stellwegs nach der Zeit die Stellgeschwindigkeit, die Stellbeschleunigung und/oder die Veränderungen der errechneten Größen über der Zeit berechnet werden.
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