WO2018228782A1 - Aktuatoranordnung und verfahren zur bestimmung der schaltstellung eines elektromagnetisch betätigten schaltelements mit mehreren schaltpositionen. - Google Patents

Aktuatoranordnung und verfahren zur bestimmung der schaltstellung eines elektromagnetisch betätigten schaltelements mit mehreren schaltpositionen. Download PDF

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switching element
actuator
current
shift
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PCT/EP2018/063391
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Stefan Brantweiner
Mario Grgic
Daniel Lindvai-Soos
Wolfgang Schweiger
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Magna powertrain gmbh & co kg
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Publication date
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    • F16H2061/2861—Linear motors

Definitions

  • Actuator arrangement and method for determining the switching position of an electromagnetically actuated switching element having a plurality of switching positions are provided.
  • the invention relates to a method for determining the switching position of electromagnetically operated switching elements and an actuator assembly, which is adapted for this method.
  • a similar shift device for transmissions with a shift element is disclosed in EP 1 710 478 A1.
  • the switching element described therein is arranged displaceably in an axial direction and can assume at least a first and a second displacement position.
  • the switching device further comprises a permanent magnet which is magnetized in the axial direction and which either with the switching element is arranged or fixed in relation to the transmission, a first and a second electromagnet, which are arranged offset in the axial direction to each other and which, when the permanent magnet is connected to the switching element, are arranged stationary with respect to the transmission or when the permanent magnet is arranged stationary in the transmission, are connected to the switching element, wherein the two electromagnets are energized so that their magnetic fields are directed opposite to each other.
  • switching element position sensors In order to determine the switching position in these switching devices are arranged on the switching element position sensors, which can determine the position of the switching element. These additional elements must be installed and wired.
  • the object of the present invention is to provide a switching arrangement in which the positions of the switching elements can be determined with a simple construction. This object is achieved by an actuator arrangement according to claim 1 and by a method according to claim 5.
  • Such an actuator arrangement provides a mechanically simple and low-complexity system that reduces costs and is largely insensitive to tolerance and temperature influences by eliminating the need for additional position sensors (disconnect plug, omit wiring, reduced ECU requirements). Furthermore, a simple adaptability to systems with two or three switching positions (same components for decoupling (G1 / N) and decoupling with mode shift (G1 / N / G2)).
  • the non-contacted contact point of the switching element is moved in the end position behind the stroke of not activated for the displacement of the switching element actuating element. It can thereby be achieved that the second shift actuator can be used as a mechanical lock. In addition, a second verification
  • the switching element is preferably Y-shaped and rotates about a pivot pole which is arranged in a central region of the switching element. This is an efficient embodiment of the switching element.
  • the contact points of the switching element can be designed as freely rotatable rollers. As a result, unnecessary wear is avoided by the contact with the corresponding Heidelbergaktuatoren.
  • An inventive method for determining a position of a switching element using a previously mentioned actuator assembly comprises the steps of setting a desired end position of the switching element, performing the lifting movement by activating the corresponding first switching actuator, measuring a current on the switching actuator and / or activating the second switching actuator and measuring a Current at the second switching actuator and comparing the measured current with a stored characteristic curve wherein the characteristic of the measured current is compared with a stored characteristic and thereby determined whether the switching element is in the intended end position.
  • Such a method provides a mechanically simple, low complexity system that eliminates the cost of manufacturing by eliminating additional position sensors (plug removal, de-wiring, reduced ECU requirements). Furthermore, especially when using the measurements of both switching actuators, the reliability of the statement of the end position of the switching element is increased.
  • shift actuators as the first and second shift actuators is for the purpose of distinction only in the order that one actuator is actuated first and then the other. In principle, both the shift actuator for the 1. Gear and also the shift actuator for the 2nd gear, the “first” or “second” shift actuator, depending on which gear is to be engaged.
  • the current strength of the activated for moving the switching element is less than the current strength of the activated for moving the switching element. This increases continue the security with which a statement about the final position of the switching element can be made.
  • Figure 1 shows the switching arrangement according to the invention, in which the switching element is in a neutral position
  • Figure 2 shows the switching arrangement according to the invention, in which the switching element is in a blocked position
  • Figure 3 shows the switching arrangement according to the invention, in which the switching element is in a first end position
  • Figure 4 shows the switching arrangement according to the invention, in which the switching element is in the first end position and is blocked by the second actuating element;
  • Figure 5 shows the position of Figure 4 with retracted first actuator
  • FIG. 6 shows a current characteristic (qualitative current-time profile) with direct switching through from the neutral position into a first end position
  • FIG. 7 shows a current characteristic in the event of blockage (tooth-tooth position) when switched to a first end position
  • FIG. 8 shows a current characteristic of the cut-off current.
  • FIG. 1 shows a switching arrangement 1 according to the invention in a neutral position.
  • the switching arrangement 1 shown has a central switching element 4, which is preferably designed as a Y-shaped shift fork.
  • the shift fork has a housing-fixed center of rotation 6 in the middle, that is, in a region in which meet the Y-arms of the shift fork.
  • Of the lower arm of the shift fork is connected to an axially displaceable element 5, so that this element 5 is displaced by the actuation of the shift fork 4.
  • the axially displaceable element 5 is a sliding sleeve 5 which allows a position for connection to two different sprockets (G1, G2) and a neutral position (N) in which no sprocket is connected.
  • the upper two arms of the shift fork have a contact point, which are preferably formed as rollers.
  • the two upper arms of the shift fork 4 with the contact points 14 extend in opposite directions.
  • the shift sleeve 5 moves to the left when the first shift actuator is extended and pushes the arms of the shift element to the right.
  • the strokes SA and SB are thus related to the path x, which covers the shift sleeve together.
  • the shift actuators 2, 3 are also preferably arranged opposite each other and have linearly displaceable actuating elements, which in the present embodiment each comprise a movable anchor rod 12 and a pressure piece 13 connected thereto. The pressure piece 13 is then pressed when moving to the contact point 14 and moves the switching element.
  • the shift actuators 2, 3 comprise a main body in which the electromagnetic components (coil, permanent magnet) are arranged. Such a shift actuator is also referred to as a solenoid. It is also theoretically possible not to move the actuator linearly, but for example with an electric motor, so that the actuating element is pivoted and does not move linearly.
  • the switching actuators 2, 3 are connected via a control line 1 1 with a control device 10 which supplies the switching actuators 2, 3 with power and thus controls the circuit in a respective end position.
  • a control device 10 which supplies the switching actuators 2, 3 with power and thus controls the circuit in a respective end position.
  • the control device is set up not only to supply the switching actuators with power, but also to measure them.
  • the switching element end position is detected by means of a corresponding evaluation logic.
  • the evaluation logic takes into account typical characteristic parameters from the on and off current characteristics of the electromagnetic coils, whereby a clear determination of the armature stroke position becomes possible. Additional position sensors for detecting the switching element position can thus be omitted.
  • the neutral position is set in FIG.
  • This neutral position can be adjusted with the shift actuators, but can also be realized as a kind of standard position with a return spring, so that the switching element moves by a mechanical bias in the neutral position when no other forces act or obstacles in the way.
  • the fail-safe behavior can be determined by the constructive design of the solenoids for the desired behavior in the de-energized state (normally open / normally closed / stay silent).
  • the neutral position is defined in the exemplary embodiment via a spring-centered center position.
  • the determination of the position of the switching element takes place by measuring the coil current profile of the switching actuators and a comparison with stored in the control unit reference values. This results in a feedback, whether the end position G1 or G2 has actually been reached.
  • the evaluation logic includes several algorithms for the analysis of the turn-on and turn-off current waveforms as follows with reference to the figures 6 to 8 described. The specific current characteristics for the respective construction of an actuator arrangement according to the invention can be determined by the person skilled in the art via simple test runs.
  • FIGS. 6 and 7 show an example of the qualitative course of the inrush current at the magnet coil. If the shift sleeve is in shift position G1 (1st gear, first shift actuator extended), it can be determined via current measurement on the coils of the first shift actuator 2 and second shift actuator 3 whether the shift sleeve has actually reached its end position G1 (1st gear). From the characteristic of a linear magnet characteristic of the coil current signal can be seen that the current drops at the onset of the stroke movement (inflection point W1 in Fig. 6). This is due to the electromagnetically induced voltage (back EMF), evident from the following dL (i d
  • FIG. 8 shows, by way of example, the qualitative current-time profile of the switch-off current via which an additional plausibility check of the armature stroke positions is possible by comparing the inflection points W3 and W4. Furthermore, a plausibility check on the Switching time; depending on the stroke position to be measured results in an associated switching time (current-time curve).
  • the actuator assembly is controlled by the control unit 10 of the shift actuator, which can move the shift sleeve in the desired gear.
  • the first shift actuator (2, 3) which brings the switching element 4 into engagement with the desired gear, is actuated and moves on its stroke.
  • the current flowing through the coil of the first Druckaktuators, during the process of the first Druckaktuators measured and compared with the stored characteristic, so that a statement can be made whether the switching element has reached the end position.
  • the second shift actuator is actuated and, alternatively or additionally, the current is measured and compared with a stored characteristic which was applied to the coil of the second shift actuator.
  • the shift element has reached the end position (for example in FIG.
  • the second shift actuator can be pushed over the shift element (FIG. 4) and the first shift actuator can be retracted.
  • the current is also measured for the return movement and compared with a characteristic in order to obtain a further confirmation for the achievement of the correct end position.

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Abstract

Aktuatoranordnung (1) zum Schalten zwischen zumindest zwei Schaltstellungen (G1, G2), umfassend ein Schaltelement (4) das zwischen den zumindest zwei Endstellungen (G1, G2) schaltbar ist und das zwei gegenüberliegende Kontaktstellen (14) aufweist, an denen das Schaltelement (4) betätigt wird um in Richtung einer Endstellung bewegt zu werden; einem ersten und einem zweiten elektromagnetische Schaltaktuator (2, 3), die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltelements (4) angeordnet sind und die das Schaltelement (4) nach Aktivierung in eine entsprechende Schaltstellung bewegen, wobei die Schaltaktuatoren (2, 3) jeweils mit einem bewegbaren Betätigungselement versehen sind, das sich entlang einem Hubweg bewegt und das Schaltelement (4) an der Kontaktstelle (14) kontaktiert; eine Steuereinrichtung (10), die mit den zwei Schaltaktuatoren (2, 3) verbunden ist und die eingerichtet ist, einen Strom an den Schaltaktuatoren zu messen und Auszuwerten.

Description

Aktuatoranordnung und Verfahren zur Bestimmung der Schaltstellung eines elektromagnetisch betätigten Schaltelements mit mehreren Schaltpositionen.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Schaltstellung von elektromagnetisch betätigten Schaltelementen und eine Aktuatoranordnung, die für dieses Verfahren eingerichtet ist.
Stand der Technik
In Fahrzeugen werden elektromagnetische Schalteinrichtungen beispielsweise in Synchronisierungen von Schaltgetrieben verwendet. Eine solche elektromagnetische Schalteinrichtung ist in der DE 39 39 274 A1 offenbart. Diese Druckschrift beschreibt eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe, mit einem vorzugsweise drehbar auf einer Welle sitzenden, einen Kupplungskörper mit einer ersten Verzahnung aufweisenden und axial festen Zahnrad, mit einer vorzugsweise drehfest auf der Welle neben dem Kupplungskörper sitzenden, eine zweite Verzahnung aufweisenden, und axial festen Führungsmuffe, und mit einer zum Kupplungskörper sowie zur Führungsmuffe konzentrisch angeordneten, eine dritte Verzahnung aufweisenden, axial verschiebbaren Schaltmuffe, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass in einer Schaltstellung des Getriebes zum drehfesten Verbinden der Führungsmuffe mit dem Zahnrad durch axiales Verschieben der Schaltmuffe über deren dritte Verzahnung eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Verzahnung und der zweiten Verzahnung herstellbar ist, und ferner zum Verhindern einer unerwünschten Trennung der formschlüssigen Verbindung die dritte Verzahnung mit einer ersten Schrägfläche sowie eine weitere der Verzahnungen mit einer zweiten Schrägfläche versehen sind, die in der Schaltstellung aneinander anliegen und einer axialen Bewegung der Schaltmuffe aus der Schaltstellung heraus während des Übertragens eines Drehmomentes eine Keilwirkung entgegensetzen, wobei die zweite Schrägfläche an der zweiten Verzahnung angebracht ist.
Eine ähnliche Schalteinrichtung für Getriebe mit einem Schaltelement ist in der EP 1 710 478 A1 offenbart. Das dort beschriebene Schaltelement ist in einer Axialrichtung verschieblich angeordnet und kann mindestens eine erste und eine zweite Verschiebestellung einnehmen. Die Schalteinrichtung weist ferner einen Permanentmagnet auf, der in Axialrichtung magnetisiert ist und der entweder mit dem Schaltelement verbunden oder ortsfest in Bezug auf das Getriebe angeordnet ist, einen ersten und einen zweiten Elektromagnet, die in Axialrichtung versetzt zueinander angeordnet sind und die, wenn der Permanentmagnet mit dem Schaltelement verbunden ist, ortsfest in Bezug auf das Getriebe angeordnet sind bzw. die, wenn der Permanentmagnet ortsfest im Getriebe angeordnet ist, mit dem Schaltelement verbunden sind, wobei die beiden Elektromagneten derart bestrombar sind, dass ihre Magnetfelder einander entgegengesetzt gerichtet sind.
Um in diesen Schalteinrichtungen die Schaltstellung festzustellen sind an dem Schaltelement Positionssensoren angeordnet, die die Position des Schaltelements bestimmen können. Diese zusätzlichen Elemente müssen eingebaut und verkabelt werden.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schaltanordnung bereitzustellen, bei der die Positionen der Schaltelemente mit einer einfachen Konstruktion festgestellt werden können. Diese Aufgabe wird gelöst von einer Aktuatoranordnung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 5.
Eine erfindungsgemäße Aktuatoranordnung zum Schalten zwischen zumindest zwei Schaltstellungen umfasst ein Schaltelement das zwischen den zumindest zwei Endstellungen schaltbar ist und das zwei gegenüberliegende Kontaktstellen aufweist, an denen das Schaltelement betätigt wird um in Richtung einer Endstellung bewegt zu werden, einem ersten und einem zweiten elektromagnetische Schaltaktuator, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltelements angeordnet sind und die das Schaltelement nach Aktivierung in eine entsprechende Schaltstellung bewegen, wobei die Schaltaktuatoren jeweils mit einem bewegbaren Betätigungselement versehen sind, das sich entlang einem Hubweg bewegt und das Schaltelement an der Kontaktstelle kontaktiert, eine Steuereinrichtung, die mit den zwei Schaltaktuatoren verbunden ist und die eingerichtet ist, einen Strom an den Schaltaktuatoren zu messen und Auszuwerten. Durch eine solche Aktuatoranordnung wird ein Mechanisch einfaches System mit geringer Komplexität bereitgestellt, dass durch den Entfall zusätzlicher Positionssensoren (Entfall Stecker, Entfall Verkabelung, reduzierte ECU-Anforderungen) die Kosten reduziert und auch weitgehend unempfindlich gegenüber Toleranz- und Temperatureinflüssen ist. Ferner ist eine einfache Adaptierbarkeit auf Systeme mit zwei oder mit drei Schaltstellungen gegeben (gleiche Komponenten für Decoupling (G1/N) und Decoupling mit Mode-Shift (G1/N/G2)).
Vorzugsweise wird die nicht kontaktierte Kontaktstelle des Schaltelements in der Endstellung hinter den Hubweg des für das Verschieben des Schaltelements nicht aktivierten Betätigungselements bewegt. Dadurch kann erreicht werden, dass der zweite Schaltaktuator als mechanische Sperre verwendet werden kann. Zudem wird eine zweite Verifizierung
Das Schaltelement ist bevorzugt Y-förmig ausgebildet und dreht sich um einen Drehpol, der in einem mittigen Bereich des Schaltelements angeordnet ist. Dies ist eine effiziente Ausgestaltung des Schaltelements. Die Kontaktstellen des Schaltelements können als frei drehbare Rollen ausgebildet sein. Dadurch wird unnötiger Verschleiß durch den Kontakt mit den entsprechenden Schaltaktuatoren vermieden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Schaltelements unter Verwendung einer vorher genannten Aktuatoranordnung umfasst die Schritte Festlegen einer gewünschten Endstellung des Schaltelements, Durchführen der Hubbewegung durch Aktivieren des entsprechenden ersten Schaltaktuators, Messen einer Stromstärke am Schaltaktuator und/oder Aktivieren des zweiten Schaltaktuators und Messen einer Stromstärke am zweiten Schaltaktuator und Vergleichen der gemessenen Stromstärke mit einer hinterlegten Kennlinie wobei die Kennlinie der gemessenen Stromstärke mit einer hinterlegten Kennlinie verglichen und dadurch festgelegt wird, ob sich das Schaltelement in der vorgesehen Endstellung befindet. Durch ein solches Verfahren wird ein mechanisch einfaches System mit geringer Komplexität bereitgestellt, dass durch den Entfall zusätzlicher Positionssensoren (Entfall Stecker, Entfall Verkabelung, reduzierte ECU-Anforderungen) die Kosten der Herstellung reduziert. Ferner wird insbesondere bei der Verwendung der Messungen von beiden Schaltaktuatoren die Sicherheit der Aussage der Endstellung des Schaltelements erhöht. Die Bezeichnung der Schaltaktuatoren als erster und zweiter Schaltaktuator dient lediglich der Unterscheidung in der Reihenfolge und das ein Aktuator zuerst betätigt wird und dann der andere. Im Prinzip kann sowohl der Schaltaktuator für den 1 . Gang und auch der Schaltaktuator für den 2. Gang der„erste" oder„zweite" Schaltaktuator sein, je nachdem welcher Gang eingelegt werden soll.
Vorzugsweise wird auch die Stromstärke des für das Verschieben des Schaltelements aktivierten Schaltaktuators beim Zurückziehen gemessen und verglichen. Dies erhöht weiter die Sicherheit, mit der eine Aussage über die Endstellung des Schaltelements getroffen werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in einer neutralen Stellung steht;
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in einer blockierten Stellung steht;
Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in einer ersten Endstellung steht;
Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Schaltanordnung, bei der das Schaltelement in der ersten Endstellung steht und vom zweiten Betätigungselement blockiert wird;
Figur 5 zeigt die Stellung aus Figur 4 mit zurückgezogenem ersten Betätigungselement;
Figur 6 zeigt eine Stromkennlinie (qualitativer Strom-Zeit-Verlauf) bei direktem Durchschalten von der Neutralstellung in eine erste Endstellung;
Figur 7 zeigt eine Stromkennlinie bei auftretender Blockade (Zahn-Zahn-Stellung) bei Schaltung in eine erste Endstellung; und
Figur 8 zeigt eine Stromkennlinie des Abschaltstroms.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Wenn im Folgenden in der Beschreibung Richtungsangaben verwendet werden, beziehen sich diese auf die Richtungen in den Figuren 1 bis 5.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltanordnung 1 in einer neutralen Stellung. Die gezeigte Schaltanordnung 1 weist ein zentrales Schaltelement 4 auf, das vorzugsweise als Y-förmige Schaltgabel ausgebildet ist. Die Schaltgabel weist mittig einen gehäusefesten Drehpol 6 auf, d.h. in einem Bereich, in dem sich die Y-Arme der Schaltgabel treffen. Der untere Arm der Schaltgabel ist mit einem axialverschiebbaren Element 5 verbunden, so dass dieses Element 5 durch die Betätigung der Schaltgabel 4 verschoben wird. Bspw. ist das axialverschiebbare Element 5 eine Schaltmuffe 5, die eine Stellung für die Verbindung mit zwei unterschiedlichen Zahnkränzen (G1 , G2) und eine neutrale Stellung (N) ermöglicht, in der kein Zahnkranz verbunden ist. Die oberen beiden Arme der Schaltgabel weisen eine Kontaktstelle auf, die vorzugsweise als Rollen ausgebildet sind. Die beiden oberen Arme der Schaltgabel 4 mit den Kontaktstellen 14 erstrecken sich in gegenüberliegende Richtungen. Wie in den Figuren zu erkennen ist, bewegt sich die Schaltmuffe 5 nach links, wenn der erste Schaltaktuator ausgefahren wird und die Arme des Schaltelements nach rechts schiebt. Die Hubwege SA und SB hängen so mit dem Weg x, den die Schaltmuffe zurücklegt, zusammen.
An den Kontaktstellen 14 des Schaltelements 4 sind jeweils die elektromagnetischen Schaltaktuatoren 2,3 angeordnet. Die Schaltaktuatoren 2, 3 sind ebenfalls vorzugsweise einander gegenüber angeordnet und weisen linear verschiebbare Betätigungselemente auf, die in der vorliegenden Ausführungsform jeweils eine verfahrbare Ankerstange 12 und ein daran angeschlossenes Druckstück 13 umfassen. Das Druckstück 13 wird beim Verschieben dann an die Kontaktstelle 14 gedrückt und verschiebt das Schaltelement. Ferner umfassen die Schaltaktuatoren 2, 3 einen Hauptkörper, in dem die elektromagnetischen Komponenten (Spule, Permanentmagnet) angeordnet sind. Einen solchen Schaltaktuator bezeichnet man auch als Hubmagnet. Es theoretisch ist auch möglich, das Betätigungselement nicht linear zu bewegen, sondern beispielsweise mit einem Elektromotor, so dass das Betätigungselement verschwenkt wird und sich nicht linear bewegt.
Die Schaltaktuatoren 2, 3 sind über eine Steuerleitung 1 1 mit einer Steuereinrichtung 10 verbunden, die die Schaltaktuatoren 2, 3 mit Strom beaufschlagt und so die Schaltung in eine jeweilige Endstellung steuert. Vorliegend sind zwei Endstellungen für den 1 . und 2. Gang und eine neutrale Stellung, in der die Antriebswelle leer läuft. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Schaltaktuatoren nicht nur mit Strom zu beaufschlagen, sondern auch diesen zu messen. Durch die im Steuergerät durchgeführte Messung der Schaltaktuatoren-Spulenströme und Vergleich der Messsignale mit in der Steuergerätesoftware hinterlegten Referenzsignalen wird mittels einer entsprechenden Auswertelogik die Schaltelement-Endposition detektiert. Die Auswertelogik berücksichtigt dabei typische charakteristische Kenngrößen aus dem Ein- und Abschaltstromverlauf der Elektromagnetspulen, wodurch eine eindeutige Bestimmung der Anker-Hubposition möglich wird. Zusätzliche Positionssensoren zum Erfassen der Schaltelement-Position können somit entfallen.
In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Schaltpositionen des Schaltelements und der Schaltaktuatoren dargestellt. Wie schon oben erwähnt, ist in Figur 1 die neutrale Stellung eingestellt. Diese neutrale Stellung kann mit den Schaltaktuatoren eingestellt werden, kann aber auch als eine Art Standardposition mit einer Rückstellfeder verwirklicht werden, so dass das Schaltelement sich durch eine mechanische Vorspannung in die neutrale Position bewegt, wenn keine anderen Kräfte wirken oder Hindernisse im Weg sind.
In Figur 2 ist eine Stellung dargestellt, in der beim Verschieben des Schaltelements die Zähne der Schaltmuffe nicht mit den Zähnen des Zahnkranzes des 1 . Gangs eingreifen, sondern an diese anstoßen, bspw. weil beide Elemente nicht richtig synchronisiert wurden.
Dadurch wird der Schaltvorgang blockiert, das Betätigungselement kann nicht den vollen
Hubweg bewegt werden und das Schaltelement erreicht nicht die Endstellung für den 1 .
Gang. Bei einer auftretenden Zahn-Zahn Stellung des Schaltelements wird der zweite Hubmagnet 3 durch die entsprechende Gestaltung von Schaltgabel und Stößel an der
Hubbewegung gehindert.
In Figur 3 ist das Schaltelement in der Endstellung für den 1 . Gang dargestellt. Der erste Schaltaktuator 2 befindet sich in seiner ausgefahrenen Endposition. Der zweite Schaltaktuator 3 kann nun ungehindert ausfahren und in der ausgefahrenen Endposition des Betätigungselements wird die Schaltstellung G1 der Schaltmuffe 5 über den zweiten Schaltaktuator 3 mechanisch verriegelt (siehe Fig. 4). Anschließend kann der erste Hubmagnet 2 wieder in seine Ausgangsposition bewegt werden (siehe Fig. 5).
Das Fail Save Verhalten kann durch die konstruktive Ausführung der Hubmagnete für das gewünschte Verhalten in unbestromtem Zustand (normally open /normally closed /stay silent) bestimmt werden. Die Neutralstellung ist in der beispielhaften Ausführung über eine federzentrierte Mittelposition definiert.
Die Ermittlung der Position des Schaltelements erfolgt durch Messung des Spulenstromverlaufs der Schaltaktuatoren und einen Vergleich mit im Steuergerät hinterlegten Referenzwerten. Dadurch erfolgt eine Rückmeldung, ob die Endposition G1 bzw. G2 tatsächlich erreicht wurde. Die Auswertelogik umfasst mehrere Algorithmen für die Analyse der Ein- und Abschalt- Stromverläufe wie nachfolgend anhand der Figuren 6 bis 8 beschrieben. Die konkreten Stromkennlinien für die jeweilige Konstruktion einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung kann der Fachmann über einfache Testläufe ermitteln.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen beispielhaft den qualitativen Verlauf des Einschaltstromes an der Magnetspule. Befindet sich die Schaltmuffe in Schaltstellung G1 (1 . Gang, erster Schaltaktuator ausgefahren) kann über Strommessung an den Spulen des ersten Schaltaktuators 2 und zweiten Schaltaktuators 3 festgestellt werden, ob die Schaltmuffe ihre Endposition G1 (1 . Gang) tatsächlich erreicht hat. Aus dem für einen Linearmagneten charakteristischen Verlauf des Spulenstromsignals ist zu erkennen, dass der Strom bei Einsetzen der Hubbewegung absinkt (Wendepunkt W1 in Fig. 6). Dies ist bedingt durch die elektromagnetisch induzierte Spannung (back EMF), ersichtlich aus der nachfolgend dL(i d
aufgeführten Gleichung 1 (i— ). Befindet sich die Schaltmuffe 5 im Endanschlag d,o * t
(Wendepunkt W2 in Fig. 6), so kann durch Messen und Vergleichen der charakteristischen Stromgrößen IPEAK und IDR0P diagnostiziert werden, ob sich der Anker von Hubmagnet 2 und somit auch die Schaltmuffe tatsächlich in ihrer Endlage befinden.
Befindet sich die Schaltmuffe in Endposition G1 so kann durch Betätigung von Hubmagnet 3 und gleichzeitiger Strommessung eine zusätzliche Aussage über die eingenommene Endposition getroffen werden. Da in diesem Fall der Hubmagnet 3 ungehindert und lastfrei ausfährt, kann über die dabei elektromagnetisch induzierte Spannung (Back EMF, Gl. 1 ) auf die korrekte Endposition des Schaltelements rückgeschlossen werden. Bei einer auftretenden Zahn-Zahn Stellung des Schaltelements kann Schaltaktuator 3 keine oder eine nur eine minimale Ankerhubbewegung ausführen, wodurch sich zufolge der Gleichung 2 ein anderer Stromverlauf ohne Wendepunkte ergibt (keine Back EMF), wie auch in Figur 7 gezeigt ist. Durch Vergleichen des Spulenstromverlaufs mit einem Referenzsignal, kann mit entsprechender Auswertelogik diagnostiziert werden, ob die Ankerhubbewegung ungehindert stattfindet oder mechanisch blockiert wird. Des Weiteren ist durch eine Spulenstrommessung beim Abschalten des Magneten, eine zusätzliche Plausibilisierung der Hubposition über den Abschaltstromverlauf möglich. Zusätzlich kann eine Plausibilisierung über die Schaltzeit ermittelt werden, ersichtlich in Fig. 6. Je nach zu messender Hubstellung ergibt sich eine zugehörige Schaltzeit.
Fig. 8 zeigt beispielhaft den qualitativen Strom-Zeit Verlauf des Abschaltstromes über welchen eine zusätzliche Plausibilisierung der Anker Hubpositionen, durch vergleichen der Wendepunkte W3 und W4 ermöglicht. Ferner kann eine Plausibilisierung über die Schaltzeit erfolgen; je nach zu messender Hubstellung ergibt sich eine zugehörige Schaltzeit (Strom-Zeit Verlauf).
U = iR + L(i, x) - + i ^^-— (Gl. 1 )
J dt dx dt 1
U = iR + L(i, x) - (Gl. 2)
Bei der Anwendung der Aktuatoranordnung wird über das Steuergerät 10 der Schaltaktuator angesteuert, der die Schaltmuffe in den gewünschten Gang verschieben kann. Der erste Schaltaktuators (2, 3), der das Schaltelement 4 in den Eingriff für den gewünschten Gang bringt, wird betätigt und verfährt auf seinem Hubweg. Vorzugsweise wird der Strom, der durch die Spule des ersten Schaltaktuators fließt, während des Verfahrens des ersten Schaltaktuators gemessen und mit der hinterlegten Kennlinie verglichen, so dass eine Aussage getroffen werden kann, ob das Schaltelement die Endstellung erreicht hat. Danach wird der zweite Schaltaktuator betätigt und alternativ oder ergänzend der Strom gemessen und mit einer hinterlegten Kennlinie verglichen, mit dem die Spule des zweiten Schaltaktuators beaufschlagt wurde. Wenn das Schaltelement die Endstellung erreicht hat (bspw. in Figur 3 für den 1 . Gang), kann der zweite Schaltaktuator über das Schaltelement geschoben werden (Figur 4) und der erste Schaltaktuator kann zurückgefahren werden. Bevorzugt wird auch für die Rückzugsbewegung der Strom gemessen und mit einer Kennlinie verglichen, um eine weitere Bestätigung für das Erreichen der korrekten Endposition zu erhalten.
Wenn beim Ausfahren des ersten Schaltaktuators das Schaltelement nicht in die Endstellung gelangen kann, weil beispielsweise die Schaltmuffe wegen fehlerhafter Synchronisation nicht mit dem entsprechenden Zahnkranz des 1 . Ganges eingreifen kann (Figur 2), entspricht die gemessene Kennlinie des ersten Schaltaktuators nicht der hinterlegten und die Steuerung stellt fest, dass das Schaltelement nicht die korrekte Endposition erreicht hat. Dies kann ebenso bei Betätigung des zweiten Schaltelements und Messen der Kennlinie festgestellt werden, indem das zweite Betätigungselement gegen das Schaltelement stößt und eine entsprechende Stromkennlinie (Figur 7) vom Steuergerät gemessen wird. In beiden Fällen kann ohne Positionssensoren für das Schaltelement festgestellt werden, ob eine korrekte Endstellung erreicht wurde.
Bezuqszeichenliste
Aktuatoranordnung 1
erster Schaltaktuator 2
zweiter Schaltaktuator 3
Schaltgabel 4
Schaltmuffe 5
Drehpol/Schwenkachse des Schaltelements 6
Hauptkörper des ersten Schaltaktuators 8
Hauptkörper des zweiten Schaltaktuators 9
Steuergerät 10
Steuerleitung 1 1
Ankerstange 12
Druckstück 13
Kontaktstellen 14

Claims

Patentansprüche
1 . Aktuatoranordnung (1 ) zum Schalten zwischen zumindest zwei Schaltstellungen (G1 , G2), umfassend ein Schaltelement (4) das zwischen den zumindest zwei Endstellungen (G1 , G2) schaltbar ist und das zwei gegenüberliegende Kontaktstellen (14) aufweist, an denen das Schaltelement (4) betätigt wird um in Richtung einer Endstellung bewegt zu werden; einem ersten und einem zweiten elektromagnetische Schaltaktuator (2, 3), die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltelements (4) angeordnet sind und die das Schaltelement (4) nach Aktivierung in eine entsprechende Schaltstellung bewegen, wobei die Schaltaktuatoren (2, 3) jeweils mit einem bewegbaren Betätigungselement versehen sind, das sich entlang einem Hubweg bewegt und das Schaltelement (4) an der Kontaktstelle (14) kontaktiert; eine Steuereinrichtung (10), die mit den zwei Schaltaktuatoren (2, 3) verbunden ist und die eingerichtet ist, einen Strom an den Schaltaktuatoren zu messen und Auszuwerten.
2. Aktuatoranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , bei der die nicht kontaktierte Kontaktstelle (14) des Schaltelements (4) in der Endstellung hinter den Hubweg des für das Verschieben des Schaltelements nicht aktivierten Betätigungselements (12, 13) bewegt.
3. Aktuatoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement (4) Y-förmig ausgebildet ist und sich um einen Drehpol dreht, der in einem mittigen Bereich des Schaltelements angeordnet ist.
4. Aktuatoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kontaktstellen (14) des Schaltelements (4) als frei drehbare Rollen ausgebildet sind.
5. Verfahren zum bestimmen einer Position eines Schaltelements unter Verwendung einer Aktuatoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte - Festlegen einer gewünschten Endstellung des Schaltelements
- Durchführen der Hubbewegung durch Aktivieren des entsprechenden ersten Schaltaktuators; - Messen einer Stromstärke am Schaltaktuator und/oder Aktivieren des zweiten Schaltaktuators und Messen einer Stromstärke am zweiten Schaltaktuator und Vergleichen der gemessenen Stromstärke mit einer hinterlegten Kennlinie; wobei die Kennlinie der gemessenen Stromstärke mit einer hinterlegten Kennlinie verglichen und dadurch festgelegt wird, ob sich das Schaltelement in der vorgesehen Endstellung befindet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Stromstärke des für das Verschieben des Schaltelements aktivierten Schaltaktuators beim Zurückziehen gemessen und verglichen wird.
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