DE19832086A1 - Schalthebeleinheit - Google Patents

Abstract

Schalthebeleinheit zur Umwandlung von Kippbewegungen eines Schalthebels (1) in elektrische Steuersignale, insbesondere zur Ansteuerung eines Schaltgetriebes, mit einem Schalthebel, einem Drehelement (30, 30'), das durch die Kippbewegungen des Schalthebels (1) gedreht wird und einem Sensor (32, 41), der die Winkelposition des Drehelements (30, 30') detektiert und in elektrische Signale umwandelt.

Description

1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalthebeleinheit zur Umwandlung von Bewegungen eines Schalthebels in elektrische Steuersignale. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schalthebeleinheit zur elektrischen Ansteuerung eines Schaltgetriebes, vorzugsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.

2. Der Stand der Technik

In einem Kraftfahrzeug werden zum Wechseln der Gänge typischerweise die Bewegungen eines Schalthebels mechanisch an das Schaltgetriebe des Fahrzeugs übertragen. Dazu wird in der Schalthebeleinheit das Verkippen des Schalthebels in longitudinale Bewegungen mehrerer Seilzüge oder eines Gestänges umgewandelt. Die Seilzüge bzw. das Gestänge sind mit dem Schaltgetriebe verbunden und bewirken dort den Wechsel der Gänge.

Diese rein mechanische Ansteuerung bringt jedoch alle Nachteile mit sich, die mit der Verwendung von beweglichen mechanischen Bauteilen verbunden sind. So fällt z. B. ein erheblicher Wartungsaufwand zur regelmäßigen Schmierung der Seilzüge bzw. der Lager des Gestänges an. Auch der Ersatz von verschlissenen Komponenten führt zu hohen Kosten, da zumindest Teile der Schalthebeleinheit und des Getriebes sowie die Seilzüge oder das Gestänge demontiert und anschließend wieder zusammengesetzt werden müssen.

Zur Vermeidung dieser Probleme bietet es sich daher an, das Schaltgetriebe des Fahrzeugs elektrisch anzusteuern, d. h. mit elektrischen Steuersignalen direkt am Getriebe vorgesehene elektromechanische Stellelemente zu betätigen, die den gewünschten Gangwechsel durchführen. Die elektrische Ansteuerung erlaubt ferner eine elektronische Überwachung der Schaltvorgänge. Letzteres ermöglicht es, Fehlschaltungen und die damit verbundenen Beschädigungen des Getriebes zu verhindern.

Trotz dieser Vorteile haben sich elektrisch gesteuerte Schaltgetriebe bisher nicht durchsetzen können. Dies liegt insbesondere am Akzeptanzproblem bei den Kunden, die seit Jahrzehnten an die Benutzung von rein mechanischen Gangschaltungen gewöhnt sind. Typische Bedienelemente zum Auslösen von elektrischen Steuersignalen wie z. B. Tasten, Drehschalter etc., unterscheiden sich in ihrer Bedienung nämlich fundamental von einer herkömmlichen Schalteinheit für eine rein mechanische Getriebesteuerung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Schalthebeleinheit zu schaffen, die die vertrauten Bewegungsabläufe eines Schalthebels zuverlässig in elektrische Signale zur Ansteuerung eines Schaltgetriebes umwandelt.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schalthebeleinheit zur Umwandlung von Kippbewegungen eines Schalthebels in elektrische Steuersignale, insbesondere zur Ansteuerung eines Schaltgetriebes, mit einem Schalthebel, einem Drehelement, das durch die Kippbewegungen des Schalthebels gedreht wird und einem Sensor, der die Winkelposition des Drehelements detektiert und in elektrische Signale umwandelt. Die Bewegungsmuster des Schalthebels (Länge der Bewegung, verschiedene Kipprichtungen) entspricht dabei genau den typischen Abläufen beim Schalten mit einer rein mechanischen Gangschaltung, so daß keinerlei Umgewöhnung bei der Betätigung des elektrisch gesteuerten Getriebes nötig ist. Das Drehelement, das durch den Schalthebel beim Schalten gedreht wird, ordnet jeder Schaltposition einen Drehwinkel zu. Der Sensor detektiert diesen Drehwinkel und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal. Somit wird die Bewegung des Schalthebels in eindeutiger Weise in elektrische Steuersignale für das Schaltgetriebe umgewandelt.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Sensor ein Kontaktelement, das auf dem Drehelement angeordnet ist und korrespondierende Kontaktflächen, die von dem Kontaktelement kontaktiert werden bzw. mit diesen in Wechselwirkung treten. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Sensor einen magnetischen Kontaktgeber, der auf dem Drehelement angeordnet ist und bei korrespondierenden Magnetfeldsensoren ein elektrisches Signal auslöst. Die Magnetfeldsensoren werden dabei vorzugsweise durch Hall-Generatoren gebildet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Sensor eine Lichtquelle, die auf dem Drehelement angeordnet ist und die bei korrespondierenden Photozellen ein elektrisches Signal auslöst.

Das Drehelement wird vorzugsweise durch eine drehbar gelagerte, geschlitzte Scheibe gebildet, wobei sich der Schalthebel durch den Schlitz in der Scheibe erstreckt, so daß ein Verkippen des Schalthebels zu einer Drehung der Scheibe führt. Die Scheibe weist dabei bevorzugt an ihrem Umfang an mehreren Stellen Einkerbungen aufs in die eine Rastfeder eingreift, um die Scheibe in vorbestimmten Winkelpositionen einrasten zu lassen. Die Rastfeder umfaßt dabei bevorzugt eine Rolle an ihrem vorderen Ende, die auf dem Umfang der Scheibe entlang rollt. Die Winkelpositionen, bei denen die Rolle sich in den Einkerbungen des Umfangs befindet, entsprechen dabei jeweils genau einer Schaltposition. Dadurch wird beim Schalten, das typische "Einrastgefühl" eines mechanischen Schaltgetriebes bei der Anwahl eines Gangs vermittelt.

Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Schalthebeleinheit ferner eine Blockiereinrichtung, mit der die Drehbewegungen des Drehelements und damit die Kippbewegungen des Schalthebels blockiert werden kann. Die Blockierung kommt z. B. zum Einsatz, wenn unzulässige Schaltvorgänge (z. B. Verwechslung des Rückwärtsgangs mit einem der anderen Gänge) verhindert werden sollen. Eine weitere mögliche Verwendung liegt in der Kombination mit einem Sicherheitssystem des Fahrzeugs. In diesem Fall wird gemeinsam mit der Betätigung der elektronischen Wegfahrsperre und/oder der Zentralverriegelung des Fahrzeugs, das Getriebe gesperrt.

4. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 eine perspektivische Aufsicht auf die gesamte Schalthebeleinheit;

Fig. 2 eine Darstellung der Schalthebeleinheit ohne die obere Abdeckung;

Fig. 3 ein Seitenaufriß durch die gesamte Schalt­ hebeleinheit;

Fig. 4 eine Darstellung der Kontaktflächen des Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 5 eine Darstellung der Schalthebeleinheit ohne Abdeckung und mit demontiertem Drehelement;

Fig. 6 ein weitere bevorzugte Ausführungsform des Drehelements;

Fig. 7 eine Detaildarstellung einer bevorzugten Über­ tragung der Bewegungen des Schalthebels 1 auf die Scheibe 30.

5. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform umfaßt die Schalthebeleinheit einen Schalthebel 1, der in einem Gehäuse 10 so gelagert ist, daß er in mehrere Richtungen verkippt werden kann. Dies kann bevorzugt durch eine Aufhängung an mehreren Drehachsen (nicht dargestellt), oder durch die Verwendung eines Kugelgelenks (nicht dargestellt) erfolgen. An seinem oberen Ende verfügt der Schalthebel 1 über einen Schaltknauf 2, mit dem der Schalthebel 1 bewegt wird.

Die weiteren Komponenten der Schalthebeleinheit werden bevorzugt durch eine Hülle 20 abgedeckt, die vorzugsweise in ihrer Mitte eine Aussparung 21 aufweist, in der sich der Schalthebel bewegt und die in ihrer Form der Schaltkulisse 16 (siehe unten) entspricht. Die Aussparung 21 ist in Fig. 1 vereinfacht in Form eines spiegelverkehrten "L" dargestellt; je nach Anzahl der Gänge werden in Wirklichkeit komplexere Formen verwendet werden. Die Gestaltung der Hülle, d. h. ihre äußere Formgebung, Farbe etc., kann an das Design des Innenraums des Fahrzeugs angepaßt werden und bleibt ohne Einfluß auf die Funktionalität der Schalthebeleinheit. Alternativ zu der in Fig. 1 gezeigten scheibenförmigen Hülle kann auch eine flexible Manschette (nicht dargestellt) zur Abdeckung verwendet werden.

Die möglichen Schaltpositionen des Schalthebels 1 werden durch die Ausbildung der Schaltkulisse 16 auf der Oberseite des Gehäuses 10 festgelegt (vergl. auch Fig. 5). Auch hier ist exemplarisch nur eine vereinfachte Ausführung in Form eines "L" dargestellt, die abhängig von der Anzahl der Gänge des Fahrzeugs geändert werden kann.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Schalthebeleinheit nach Demontage der Hülle 20. Auf einer bevorzugt vertikal auf dem Gehäuse 10 angeordneten Achse 11 (vergl. auch Fig. 5) ist eine Scheibe 30 drehbar angeordnet. Die Scheibe 30 weist einen Schlitz 31 auf, durch den sich der Schalthebel 1 erstreckt. Der Schlitz 31 ist dabei bevorzugt schräg zu den Kipprichtungen des Schalthebels orientiert. Die in Fig. 2 gezeigte geradlinig radiale Form des Schlitzes 31 ist nur ein mögliche Variante, ebensogut denkbar ist auch ein gekrümmter Verlauf. Bei einer Bewegung des Schalthebels 1 wird die Scheibe 30 um ihre Achse 11 gedreht und somit jeder Position des Schalthebels 1 eindeutig eine Winkelposition der Scheibe 30 zugeordnet. Fig. 7 zeigt eine Detaildarstellung einer bevorzugten Aus­ führungsform zur Übertragung der Kippbewegung des Schalthebels 1 in eine Drehbewegung der Scheibe 30. Der Schalthebel 1 weist dazu in dem Bereich, der sich innerhalb des Schlitzes 31 der Scheibe 30 befindet, eine kugelförmige Verbreiterung 3 auf. Dadurch werden Verkantungen und Verklemmungen zwischen dem Schalthebel 1 und der Scheibe 30 wirksam verhindert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist vorzugsweise auf der Oberseite der Scheibe 30 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ein elektrisches Kontaktelement 32 angeordnet, das sich schräg nach oben erstreckt. Das Kontaktelement 32 besteht bevorzugt aus einem doppelten flexiblen Metallstreifen mit guten Kontakteigenschaften. Wie im Seitenaufriß von Fig. 3 zu erkennen, ist vorzugsweise oberhalb des Scheibe 30, bevorzugt an der Hülle 20, eine Leiterplatte 40 angeordnet. Vorzugsweise auf der Unterseite dieser Leiterplatte 40 befinden sich mehrere Kontaktstellen 41 (vergl. Fig. 4), die bei entsprechenden Winkelpositionen der Scheibe 30 mit dem Kontaktelement 32 einen elektrischen Kontakt bilden. Die Leiterplatte 40 erstreckt sich dabei bevorzugt oberhalb der gesamten Scheibe 30 und weist analog zur Hülle 20 eine Aussparung 42 auf, um die Bewegungen des Schalthebels 1 nicht zu behindern.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) befindet sich auf der Scheibe 30 ein magnetischer Kontaktgeber. In diesem Fall sind anstelle der Kontaktflächen 41 Magnetfeldsensoren auf der Leiterplatte 40 vorgesehen, die durch den magnetischen Kontaktgeber ausgelöst werden. Die Magnetfeldsensoren werden dabei bevorzugt durch sogenannte Hall-Ge­ neratoren gebildet. Der Vorteil dieser aufwendigeren Ausführungsform, liegt darin, daß ein mechanischer Verschleiß durch das wiederholte Schließen und Öffnen des elektrischen Kontakts zwischen dem Kontaktelement 32 und den Kontaktflächen 41 vermieden wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) ist anstelle des Kontaktelementes 32 auf der Scheibe 30 eine Lichtquelle, bevorzugt in Form einer Photodiode, vorgesehen. Die Photodiode erzeugt in Photozellen, die anstelle der Kontaktflächen 41 auf der Leiterplatten 40 angebracht sind, ein elektrisches Signal. Auch hier tritt keinerlei mechanischer Verschleiß auf, so daß eine lange Lebensdauer gewährleistet ist.

Die Kontaktflächen/Magnetfeldsensoren/Photozellen sind vorzugsweise über Zuleitungen 44 mit weiteren elektronische Bauteilen 45 (schematisch in Fig. 3 angedeutet) auf der Leiterplatte 40 verbunden, die die elektrischen Signale weiterverarbeiten, bevor sie von der Schalthebeleinheit an das elektrisch gesteuerte Getriebe (nicht dargestellt) weitergeleitet werden.

Der Umfang der Scheibe 30 weist vorzugsweise an mehreren Stellen Einkerbungen 33 auf (vergl. Fig. 2). Entlang des Umfangs rollt eine Rolle 50, die über einen länglichen Träger 51 mit einer Drehfeder 53 verbunden ist, die wiederum am Gehäuse 10 befestigt ist. Die Drehfeder ist dabei so vorgespannt, daß sie den Träger 51 und damit die Rolle 50 im Uhrzeigersinn dreht. Anstelle des Trägers 51 und der Drehfeder 52 kann auch ein flexibler Elastomerträger (nicht dargestellt) verwendet werden, an dessen Ende die Rolle 50 montiert wird.

Liegt die Rolle 50 in einer Einkerbung 33, muß eine durch die Federkonstante der Drehfeder 52 definierte Kraft aufgebracht werden, um die Scheibe 30 zu drehen und die Rolle aus der Einkerbung 33 zu bewegen. Die Positionen der Einkerbungen 33 auf der Scheibe 30 korrespondieren dabei mit entsprechenden elektrischen Kontakten zwischen dem Kontaktelement 32 auf der Scheibe 30 und den Kontaktflächen 41 auf der Leiterplatte 40, bzw. der Auslösung von Signalen bei der magnetischen und der optischen Detektion des Winkels des Scheibe 30. Insgesamt wird somit beim Bewegen des Schalthebels 1 das Gefühl des Einrastens in einer angewählten Position erzeugt, so wie es auch von einer rein mechanischen Gangschaltung vermittelt wird. Durch die Form der Einkerbungen 33 läßt sich das Einrasten genauestens beeinflussen; je steiler die Flanken sind und je tiefer die Einkerbung 33 ausfällt, desto größer ist der Widerstand, um den Schalthebel 1 aus einer Schaltposition in eine andere zu bewegen. Da jeder Schaltposition eine einzelne Einkerbung 33 auf dem Umfang der Scheibe zugeordnet ist, läßt sich das "Einrastgefühl" für verschiedene Gänge (z. B. den Rückwärtsgang) unterschiedlich auslegen.

Bevorzugt ist an einer anderen Stelle des Umfangs der Scheibe 30 ein Vorsprung 34 vorgesehen (vergl. Fig. 2). Zum Blockieren der Scheibe 30 ist vorzugsweise am Gehäuse 10 ein Zapfen 15 angebracht, der elektrisch aus- und eingefahren werden kann. Die Bewegung des Zapfens 15 wird vorzugsweise durch einen elektrischen Tauchmagneten (nicht dargestellt) bewirkt. Aber auch eine Bewegung durch einen kleinen Elektromotor (nicht dargestellt) ist denkbar. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform greift der Zapfen 15 in eine Öffnung (nicht dargestellt) der Scheibe 30 ein und blockiert dadurch die Drehung der Scheibe 30. Die Verriegelung kann entweder manuell über einen Schalter (nicht dargestellt) oder von einer Überwachungselektronik (nicht dargestellt) betätigt werden. Im zweiten Fall können dadurch Fehler beim Schalten (z. B. das Anwählen des Rück­ wärtsgangs bei hoher Geschwindigkeit) verhindert werden.

Auch die Verbindung der Blockierung der Schalthebeleinheit mit einem Sicherheitssystem gegen Diebstahlschutz bietet sich an. Dazu wird die Blockierung der Scheibe 30 simultan mit der elektronischen Wegfahrsperre (nicht dargestellt) und/oder der Zentralverriegelung (nicht dargestellt) des Fahrzeugs betätigt. Wird die Gangschaltung verriegelt mit einem eingelegten Gang, wird das Fahrzeug dadurch zusätzlich gegen unbefügtes Abschleppen oder Wegrollen gesichert.

Gemäß einer in Fig. 6 gezeigten weiteren bevorzugten Ausführungsform ist anstelle der oben genannten Scheibe 30 eine Halbkugel 30' vorgesehen. In diesem Fall verläuft der Schlitz 31' auf der Oberfläche der Halbkugel 30'. Da der Schalthebel nur über einen kurzen Bereich aus der Halbkugel 30' ragt, werden die Verwindungen des Schalthebels 1 dadurch reduziert. Die oben geschilderten Vorrichtungen zur Detektion der Winkelposition sind bei dieser Ausführungsform entsprechend auf der Unterseite der Halbkugel 30' angebracht (nicht sichtbar).

Die meisten der oben beschriebenen Bauteile werden aus Kosten- und Gewichtsgründen bevorzugt im Spritzgußverfahren aus Kunststoff hergestellt. So wird für das Gehäuse 10 vorzugsweise glasfaserverstärktes Polyamid (PA) verwendet und für die Hülle bevorzugt Polycarbonat (PC). Die Scheibe 30 bzw. die Halbkugel 30' werden ebenso wie der Vorsprung 34 vorzugsweise aus Polyoxymethylen (POM) gefertigt. Der Schalthebel 1, der den größten mechanischen Belastungen unterliegt, wird dagegen aus Stahl (F-2114) produziert. Als Drehfeder 53 ist vorzugsweise eine Stahlfeder vorgesehen, während der längliche Träger 51 und die Rolle 50 bevorzugt aus Polyamid hergestellt werden. Für das flexible Kontaktelement 32 wird bevorzugt elektrolytisch gereinigtes Kupferblech verwendet. Die Leiterplatte 40 mit den Zuleitungen 44, den Kontaktflächen 41 und den weiteren elektronischen Komponenten 45 wird nach bekannten Herstellungsverfahren für gedruckte Platinen hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist dabei bevorzugt Bakelit oder Glasfaser (FR2 oder FR4). Der bevorzugt magnetisch bewegte Zapfen 15 ist vorzugsweise aus einer ferromagnetischen Legierung gefertigt.

Claims (16)

1. Schalthebeleinheit zur Umwandlung von Kippbewegungen eines Schalthebels (1) in elektrische Steuersignale, insbesondere zur Ansteuerung eines Schaltgetriebes, mit

• a. einem Schalthebel (1);
• b. einem Drehelement (30, 30'), das durch die Kippbewegungen des Schalthebels (1) gedreht wird; und
• c. einem Sensor (32, 41), der die Winkelposition des Drehelements (30, 30') detektiert und in elektrische Signale umwandelt.

2. Schalthebeleinheit nach Anspruch 1, bei der der Sensor (32, 41) ein Kontaktelement (32) umfaßt, das auf dem Drehelement (30, 30') angeordnet ist und korrespondierende Kontaktflächen (41) elektrisch kontaktiert.

3. Schalthebeleinheit nach Anspruch 1, bei der der Sensor einen magnetischen Kontaktgeber umfaßt, der auf dem Drehelement (30, 30') angeordnet ist und der bei korrespondierenden Magnetfeldsensoren ein elektrisches Signal auslöst.

4. Schalthebeleinheit nach Anspruch 3, bei der die Magnetfeldsensoren durch Hall-Generatoren gebildet werden.

5. Schalthebeleinheit nach Anspruch 1, bei der der Sensor eine Lichtquelle umfaßt, die auf dem Drehelement (30, 30') angeordnet ist und die bei korrespondierenden Photozellen ein elektrisches Signal auslöst.

6. Schalthebeleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Drehelement (30, 30') durch eine drehbar gelagerte Scheibe (30) gebildet wird, wobei sich der Schalthebel (1) durch einen Schlitz (31) in der Scheibe (30) erstreckt, so daß ein Verkippen des Schalthebels (1) zu einer Drehung der Scheibe (30) führt.

7. Schalthebeleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Drehelement (30) durch eine drehbar gelagerte Halbkugel (30') gebildet wird, wobei sich der Schalthebel durch einen Schlitz (31') in der Halbkugel (30') erstreckt, so daß ein Verkippen des Schalthebels (1) zu einer Drehung der Halbkugel (30') führt.

8. Schalthebeleinheit nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der der Schalthebel (1) an der Stelle, an der er sich durch die Scheibe (30)/Halbkugel (30') erstreckt, eine kugelförmige Verbreiterung (3) umfaßt, um ein Verklemmen des Schalthebels (1) zu verhindern.

9. Schalthebeleinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Scheibe (30)/Halb­ kugel (30') in ihrem Umfang an mehreren Stellen Einkerbungen (33) aufweist, in die eine Rastfeder (50, 51, 52) eingreift, um die Scheibe (30)/Halb­ kugel (30') in vorbestimmten Winkelpositionen einrasten zu lassen, wobei die Winkelpositionen jeweils genau einem Kontakt zwischen dem Kontaktelement (32) und einer Kontaktfläche (41) bzw. dem Auslösen eines elektrischen Signals durch den magnetischen Kontaktgeber oder die Lichtquelle entspricht.

10. Schalteinheit nach Anspruch 9, bei der die Rastfeder (50, 51, 52) an ihrem vorderen Ende eine Rolle (50) umfaßt, die auf dem Umfang der Scheibe (30) entlang rollt.

11. Schalthebeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Blockiereinrichtung (34, 15) umfaßt, mit der die Drehung des Drehelements (30, 30') und damit die Kippbewegung des Schalthebels (1) blockiert werden kann.

12. Schalthebeleinheit nach Anspruch 11, bei der die Blockiervorrichtung einen Vorsprung (34) am Drehelement (30, 30') und einen bewegbaren Zapfen (15) umfaßt, der mit dem Vorsprung (34) zusammenwirkt, um die Drehung des Drehelements (30, 30') zu blockieren.

13. Schalthebeleinheit nach Anspruch 11, bei der die Blockiervorrichtung eine Öffnung im Drehelement (30, 30') und einen bewegbaren Zapfen (15) umfaßt, der sich in die Öffnung erstrecken kann, um die Drehung des Drehelements (30, 30') zu blockieren.

14. Schalthebeleinheit nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der der Zapfen (15) durch einen Elektromagneten bewegt wird.

15. Schalthebeleinheit nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Blockiervorrichtung (34, 15) mit einem Diebstahlsicherungssystem des Fahrzeugs kombiniert wird.

16. Schaltung zum Wechseln der Gänge in einem Kraftfahrzeug, die umfaßt:

• a) ein elektromechanisches Getriebe;
• b) elektrische Steuerleitungen;
• c) eine Schalthebeleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.