DE102012203095A1

DE102012203095A1 - Betätigungseinrichtung zur Auswahl einer Schaltstufe eines Getriebes

Info

Publication number: DE102012203095A1
Application number: DE201210203095
Authority: DE
Inventors: Helmar LIESS; Thomas Tille
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: DE102012203095B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Betätigungseinrichtung zur Auswahl von Schaltstufen eines elektromechanischen oder eines Shift-by-Wire-Gangwechselgetriebes, umfassend einen bewegbaren Gangwahlschalter (10) mit monostabilen und/oder bistabilen Schalterstellungen. Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Haptik für die Verstellbewegung des Gangwahlschalters (10) durch zumindest einen rheologischen Aktuator (30) mit einem rheologischen Fluid (34) erzeugt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung zur Auswahl von Schaltstufen eines elektromechanischen oder eines Shift-by-Wire-Gangwechselgetriebes.
Gangwechselgetriebe von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise mittels einer im Griffbereich des Fahrers angeordneten Betätigungseinrichtung gesteuert bzw. geschaltet. Regelmäßig kommen hierzu Betätigungselemente, wie Schalthebel oder Wählhebel zum Einsatz, die üblicherweise zwischen den Frontsitzen des Kraftfahrzeugs angeordnet sind.
Die konstruktiven und ergonomischen Anforderungen an solche Betätigungseinrichtungen bzw. Wählhebel für Gangwechselgetriebe sind dabei vielfältig. Um beispielsweise dem Fahrer aus Gründen der Sicherheit und Ergonomie ein realistisches Gefühl der Getriebebetätigung zu vermitteln, wird für gattungsgemäße Betätigungseinrichtungen gefordert, dass dem Fahrer sowohl optische wie auch klare haptische bzw. taktile Rückmeldungen vermittelt werden. Hieraus soll der Fahrer bei der Betätigung des Wählhebels auf den im Getriebe tatsächlich erfolgten Schaltvorgang schließen können. Ebenso soll es für den Fahrer möglich sein, mit einem Blick oder einem Griff zum Wählhebel intuitiv den momentanen Schaltzustands des Getriebes erfassen zu können.
Es ist somit wünschenswert, dem Fahrer anhand der jeweiligen Momentanposition bzw. Winkelstellung des Wählhebels eine klare optische und haptische Rückmeldung über den aktuellen Getriebezustand bzw. über die tatsächlich eingelegte Fahrstufe zu vermitteln.
Im Fall einer mechanischen Getriebebetätigung bzw. einer mechanischen Kopplung zwischen Wählhebel und Gangwechselgetriebe – beispielsweise mittels Seilzug oder Gestänge – stimmt dabei die Wählhebelstellung aufgrund der dort mechanischen Kopplung stets mit der tatsächlichen Getriebestellung überein. Da mechanisch betätigte Gangwechselgetriebe im Allgemeinen multistabil sind (die Getriebeschaltstellung ist stabil in mehreren bzw. allen Positionen, verändert sich also nicht selbsttätig), ist auch der zugehörige Wählhebel multistabil und verbleibt somit ebenso wie das Gangwechselgetriebe stets in der jeweils vom Fahrer eingelegten Stellung bzw. Gangstufe.
Der Fahrer kann demzufolge einerseits von der jeweiligen Wählhebelstellung auf den aktuellen Schaltzustand des Getriebes schließen bzw. anhand der Wählhebelstellung die im Getriebe jeweils eingelegte Fahrstufe erkennen, und sich andererseits darauf verlassen, dass die Wählhebelstellung nicht vom tatsächlichen Schaltzustand des Getriebes abweicht.
Im Fall der zunehmend eingesetzten elektromechanischen Betätigung oder der sog. Shift-by-Wire-Betätigung von Gangwechselgetrieben existiert jedoch keine mechanische Kopplung mehr zwischen dem Betätigungselement bzw. Wählhebel in der Fahrgastzelle und dem Kraftfahrzeuggetriebe im Motorraum. Vielmehr erfolgt die Übertragung der Schaltbefehle von der Betätigungseinrichtung zum Kraftfahrzeuggetriebe im Falle der „Shift-by-Wire”-gesteuerten Getriebe zumeist ausschließlich mittels elektrischer oder elektronischer Signale und mittels anschließender zumeist elektrohydraulischer Umsetzung der Schaltbefehle. Dies gilt teilweise sowohl für moderne Schalt- bzw. Gangwechselgetriebe, insbesondere jedoch für die aktuellen Generationen der Automatikgetriebe, welche zumeist komplett aktuatorisch fernbetätigt werden.
Im Fall der By-Wire-betätigten Gangwechselgetriebe kann die fehlende mechanische Verbindung zwischen der Getriebeaktuatorik und dem Wählhebel jedoch dazu führen, dass die Wählhebelstellung unter bestimmten Rahmenbedingungen oder im Fehlerfall nicht mehr mit dem Schaltzustand des Getriebes übereinstimmt.
So weisen moderne Automatikgetriebe im Allgemeinen eine sog. Auto-P-Funktion auf, die dafür sorgt, dass beim Verlassen des Fahrzeugs gegebenenfalls automatisch die Parksperre im Getriebe eingelegt wird, um so etwa ein Wegrollen des unbeaufsichtigten Fahrzeugs zu unterbinden, falls der Fahrer das Einlegen der Parksperre vor dem Verlassen des Fahrzeugs versäumt hat. Die Auto-P-Funktion, die insbesondere dann selbsttätig in Aktion tritt, wenn der Zündschlüssel abgezogen oder das Fahrzeug verlassen wird, sorgt mit anderen Worten für das automatische Einlegen der Parksperre im Getriebe, und zwar unabhängig von der tatsächlich am Wählhebel angewählten Fahrstufe. Die Parksperre wird durch die Auto-P-Funktion des Getriebes bzw. des Fahrzeugs somit dann eingelegt, wenn der Wählhebel vom Fahrer beispielsweise in die Neutralstellung, in einer etwa vorhandenen Tippgasse oder in einer der Fahrstufenstellungen belassen wurde.
Um eine Diskrepanz zwischen einer Wählhebelstellung und dem Getriebezustand zu vermeiden, welche zu unerwünschten Fehlbedienungen oder zu Fehlschlüssen durch den Fahrer und damit auch zu sicherheitskritischen Situationen führen könnte, werden Wählhebel von Shift-by-Wire-Gangwechselgetrieben als monostabile Betätigungselemente ausgebildet. Ein solcher monostabil ausgebildeter Wählhebel kehrt nach jeder Betätigung stets wieder in dieselbe Mittelstellung zurück. Die Rückmeldung über den tatsächlichen Schaltzustand des Getriebes bleibt bei einem monostabilen Wählhebel somit ausschließlich einer separaten Anzeige, beispielsweise mittels Leuchtdioden, überlassen. Hingegen entfällt bei einem monostabilen Wählhebel die Möglichkeit, dem Fahrer anhand der Wählhebelstellung optische bzw. haptische Rückmeldung über den Schaltzustand des Getriebes zu vermitteln.
Ferner ist die Realisierung der mechanischen Schaltlogik und der notwendigen Schaltsperren – wie beispielsweise die sog. Key-Lock- und Shift-Lock-Sperren – bei monostabil ausgebildeten Wählhebeln zumeist schwierig und erfordert eine aufwändige Aktuatorik zur selektiven Sperrung unzulässiger Schaltbefehle in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Kraftfahrzeugs, was entsprechende Kosten verursacht.
Die für den Fahrer wichtige Generierung der Haptik bei der Bedienung des Wählhebels erfolgt bei den bekannten elektronischen Gangwahlschaltern durch eine oder mehrere mechanische Rastkulissen. Die Rückstellung des Gangwahlschalters erfolgt direkt und/oder indirekt durch elektromechanische Aktuatorik. Hierdurch werden Fehlbedienungen und nicht zulässige Gassenwechsel unter anderem durch elektromechanisch gesteuerte Sperren verhindert. Ein nichtzulässiger Gassenwechsel ist beispielsweise das Einlegen der Position „R” (Rückwärtsgang) während einer Vorwärtsfahrt mit einer Geschwindigkeit oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts. Ein ebenso nicht zulässiger Gassenwechsel ist der Wechsel aus der Position „P” (Parkposition) oder „R” in eine andere Tippgasse, beispielsweise für sportlichen Fahrmodus.
Aufgrund der hierzu verwendeten mechanischen Rastkulissen kann lediglich eine einzige, vorher festgelegte Haptikkurve durchlaufen werden. Für den manuellen Schaltbetrieb in einer Tippgasse werden zusätzliche Rastkulissen benötigt. Neben einer geringen Flexibilität ist die Bereitstellung mehrerer Rastkulissen mit hohen Kosten verbunden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betätigungseinrichtung für ein Gangwechselgetriebe anzugeben, welches baulich und/oder funktional verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Betätigungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung zur Auswahl von Schaltstufen eines elektromechanischen oder eines Shift-by-Wire-Gangwechselgetriebes umfasst einen bewegbaren Gangwahlschalter mit monostabilen oder bistabilen Schalterstellungen. Eine Haptik für die Verstellbewegung des Gangwahlschalters ist erfindungsgemäß durch zumindest einen rheologischen Aktuator mit einem rheologischen Fluid erzeugt.
Ein Vorteil der vorgeschlagenen Betätigungseinrichtung besteht darin, dass die Nachbildung einer Haptik für eine oder mehrere Gassen des Gangwechselgetriebes ohne Rastkulissen erfolgen kann. Die Verwendung eines oder mehrerer rheologischer Aktuatoren ermöglicht eine automatische oder eine manuelle und dynamische Einstellung der Haptik des Gangwahlschalters nach Fahrerwunsch. Beispielsweise kann in einem Fahrdynamikmodus eine Bewegung des Gangwahlschalters mit kürzeren Schaltwegen erfolgen. Demgegenüber erfolgt in einem Komfortmodus die Betätigung des Gangwahlschalters mit längeren Schaltwegen. Rheologische Aktuatoren ermöglichen auch die Vermeidung von Fehlbedienungen durch die aktive Sperrung bestimmter Betätigungsvorgänge, wobei hier auf zusätzliche elektromechanische Aktuatoren verzichtet werden kann. Ebenso ist eine vereinfachte, inhärente und automatische Rückstellung des Gangwahlschalters in eine Neutral- oder Nullstellung möglich. Auch hierfür kann der im Stand der Technik benötigte elektromechanische, separate Aktuator entfallen. Letztendlich bestehen somit größere Gestaltungsfreiheiten hinsichtlich Bauraumbedarf der Betätigungseinrichtung.
Das Wirkprinzip eines rheologischen Aktuators ist ähnlich der Wirkungsweise einer Viskositätskupplung. Bei einem rheologischen Aktuator ist eine Kraftübertragung variabel einstellbar, wobei lediglich geringe Drehmomente übertragen werden. Als rheologisches Fluid ist – je nach Ausgestaltung des Aktuators als magnetorheologischer Aktuator oder elektrorheologischer Aktuator – eine magnetorheologische oder eine elektrorheologische Flüssigkeit vorgesehen. Die Viskosität dieses Fluids ist durch die Erregung mit einem Magnetfeld einstellbar. Schwebende magnetisierbare Partikel in dem Fluid richten sich bei Erregung in einem Magnetfeld aus und bringen so durch erhöhte Viskosität ein Bremsmoment auf. Dieses Bremsmoment wirkt beim Betätigen des Gangwahlschalters als Gegenmoment, welches wiederum als Haptik fühlbar ist. Da die Viskosität in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke verändert werden kann, ist mit diesem Prinzip eine veränderliche, variabel einstellbare Haptik darstellbar. Zur Erregung des Magnetfelds wird beispielsweise ein Elektromagnet verwendet. Die Veränderung des Magnetfelds wird durch die Bestromung der Spulen des Elektromagneten gesteuert. In analoger Weise arbeitet eine Steuereinrichtung bei Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Betätigungseinrichtung zumindest einen Sensor und eine Steuereinheit. Der Sensor ist dazu eingerichtet, eine Auslenkung des Gangwahlschalters zu erfassen und eine der Auslenkung entsprechende Information an die Steuereinheit zu übertragen. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der Auslenkung (bzw. in Abhängigkeit der der Auslenkung entsprechenden Information) den zumindest einen Aktuator zur Erzeugung einer der Auslenkung entsprechenden Haptik anzusteuern. Die Steuereinheit kann dabei diejenige Steuereinheit sein, welche elektrische Kontaktpunkte bei der Betätigung des Gangwahlschalters detektiert, um einen Schaltvorgang des Gangwechselgetriebes vorzunehmen. Die zur Erzeugung einer der Auslenkung entsprechenden Haptik erforderliche Steuereinheit kann jedoch auch eine gesonderte Steuereinheit sein. Die elektrischen Kontaktpunkte sind beispielsweise durch entsprechende Winkel in der Auslenkung des Gangwahlschalters definiert.
In einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung weist der rheologische Aktuator zumindest eine feststehende Statorfläche und zumindest eine drehbar und/oder verschiebbare gelagerte Fläche auf. Die zumindest eine Statorfläche und die zumindest eine weitere Fläche sind einander abwechselnd angeordnet. Die zumindest eine weitere Fläche ist mit dem Gangwahlschalter mechanisch gekoppelt, so dass eine Verstellbewegung des Gangwahlschalters zu einer Drehung oder Verschiebung der zumindest einen weiteren Fläche relativ zu der zumindest einen Statorfläche führt. Durch diese Ausgestaltung kann ein Bremsmoment von der zumindest einen weiteren Fläche übertragen werden, was sich an dem Gangwahlschalter als Gegenmoment bemerkbar macht und als Haptik erfahrbar ist.
Vorzugsweise liegt die zumindest eine weitere Fläche in der oder parallel zu einer Längsachse eines Schafts des Gangwahlschalters. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache Ausgestaltung möglich.
Vorzugsweise ist das rheologische Fluid in dem Raum zwischen der zumindest einen Statorfläche und der zumindest einen weiteren Fläche befindlich. Je nach Ausgestaltung des Aktuators ist das rheologische Fluid ein elektrorheologisches Fluid oder ein magnetorheologisches Fluid. Durch die Änderung der Viskosität des Fluids wird das Bremsmoment von der zumindest einen weiteren Fläche übertragen. Dies macht sich bei der Betätigung des Gangwechselschalters als das Gegenmoment bemerkbar. Hierdurch ergibt sich eine für den Fahrer wahrnehmbare Haptik bei der Betätigung des Gangwahlschalters.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der rheologische Aktuator einen Permanentmagneten umfasst, durch den das Fluid in eine Grundviskosität versetzt ist, um bei nicht angesteuertem Elektromagneten eine Fixierung des Gangwahlschalters zu bewirken. Die Grundviskosität ist somit derart hoch, dass der Wählhebel aufgrund der Viskosität nicht bewegt werden kann.
Vorzugsweise sind der Permanentmagnet und der Elektromagnet derart in dem rheologischen Aktuator angeordnet, dass, je nach Ansteuerung des Elektromagneten, die magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten verstärkt oder abgeschwächt oder eliminiert werden. Durch Ansteuerung des Elektromagneten wird somit die Viskosität des rheologischen Fluids derart beeinflusst, dass eine leichtere Auslenkung des Gangwahlschalters bei der Betätigung von einer ersten zu einer zweiten Position ermöglicht wird. Ebenso kann durch entsprechende Ansteuerung des Elektromagneten die „Blockade” des Gangwahlschalters verstärkt werden, um beispielsweise aktiv eine Sperrung bestimmter Betätigungsvorgänge vorzunehmen.
Ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau ergibt sich dann, wenn der Permanentmagnet und der Elektromagnet auf gegenüberliegenden Seiten der Lamellenstruktur aus der zumindest einen Statorfläche und der zumindest einen weiteren Fläche angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gangwahlschalter mit zumindest einem Federelement gekoppelt, welche eine Rückstellung des Gangwahlschalters in eine Ausgangsposition bewirken, wenn eine die Verstellbewegung herbeiführende Nutzerkraft entfällt und/oder die Zündung ausgeschaltet ist bzw. wird. Die Vorspannkraft des Federelements ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass diese ausreichend ist, um den Gangwahlschalter zurück in die Neutral- bzw. Nullstellung zu führen, wenn die Viskosität des Fluids durch entsprechende Ansteuerung des Aktuators herabgesetzt ist.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine Drehachse des Gangwahlschalters in Übereinstimmung mit einer Drehachse des rheologischen Aktuators angeordnet. Die Drehachse des Aktuators ist insbesondere durch die Lage der Statorfläche(n) und der weiteren Fläche(n) bestimmt. Alternativ ist die Drehachse des Gangwahlschalters um einen Abstand d zu der Drehachse des rheologischen Aktuators versetzt angeordnet. Bei letzterer Ausgestaltung kann eine Hebelwirkung genutzt werden, so dass die Größe der weiteren Fläche und der Statorfläche(n) kleiner gewählt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es der Versatz der Drehachsen des Gangwahlschalters und des rheologischen Aktuators die Betätigungseinrichtung mit einem anderen Formfaktor bereitzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung in einer Querschnittsdarstellung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung in einer Querschnittsdarstellung, und
3 eine Haptikkurve einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung zur Auswahl von Schaltstufen eines Shift-by-Wire-Gangwechselgetriebes.
Zur Nachbildung einer oder mehrerer Haptikkurven bedient sich eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung 1 eines oder mehrerer rheologischer Aktuatoren 30. Die Betätigungseinrichtung 1 umfasst einen Gangwahlschalter 10. Der Gangwahlschalter 10 umfasst einen durch einen Nutzer betätigbaren Handhebel 17 und einen Schaft 16. Eine Betätigung des Gangwahlschalters 16 erfolgt um eine Drehachse 12. Diese verläuft in den 1 und 2 in Blattebene von links nach rechts. In bzw. parallel zu einer Längsachse (die sich in der Zeichnung in der Blattebene von oben nach unten erstreckt) des Gangwahlschalters 10 bzw. dessen Schafts 16 sind beispielhaft zwei Flächenabschnitte 15 angeordnet. Die Flächenabschnitte 15 sind vorzugsweise starr an den Schaft 16 gekoppelt.
Die Flächenabschnitte 15 des Gangwahlschalters 10 sind Teil eines rheologischen Aktuators 30. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen magnetorheologischen Aktuator 30. Dieser umfasst ein Gehäuse 36, in dem als rheologisches Fluid 34 eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) enthalten ist. Die Viskosität dieses Fluids 34 ist durch die Erregung in einem Magnetfeld einstellbar. Hierzu ist benachbart einer Lamellenstruktur, welche durch die Flächenabschnitte 15 und ortsfeste Flächenabschnitte 32 gebildet ist, ein Elektromagnet 35 vorgesehen. Schwebende magnetisierbare Partikel in dem Fluid richten sich bei Erregung in dem durch den Elektromagneten 35 erzeugten Magnetfeld aus und bringen so durch erhöhte Viskosität ein Bremsmoment auf. Dieses Bremsmoment wird von den Flächenabschnitten 15 übertragen und wirkt bei der Betätigung des Gangwahlschalters als Gegenmoment. Dieses ist als Haptik fühlbar. Die Viskosität des Fluids 34 kann in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke verändert werden. Die Veränderung des Magnetfelds wird durch Bestromung einer Spule des Elektromagneten gesteuert. Mit diesem Prinzip ist eine veränderliche, variabel einstellbare Haptik darstellbar.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Lamellenstruktur ist optional zusätzlich ein Permanentmagnet 31 angeordnet. Durch den Permanentmagnet ist das Fluid 34 in eine Grundviskosität versetzt, um bei nicht angesteuertem Elektromagneten 35 eine Fixierung des Gangwahlschalters 10 zu bewirken. Durch eine Ansteuerung des Elektromagneten werden somit die magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten wahlweise temporär verstärkt, abgeschwächt oder eliminiert.
Die Ansteuerung des Elektromagneten 35 bezüglich des durch ihn fließenden Strom erfolgt anhand einer sensorisch erfassten Verstellbewegung des Ganghebels 10. Wie erläutert ist der in 1 und 2 dargestellte Gangwahlschalter 10 lediglich um die Achse 12 verdrehbar. Soll eine Betätigung des Gangwahlschalters 10 auch senkrecht zu der in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Bewegungsrichtung erfolgen, so ist das Vorsehen eines weiteren rheologischen Aktuators erforderlich. Hierzu können beispielsweise außerhalb des Gehäuses 36 an dem Gehäuse 36 Flächen angeordnet sein, welche mit ortsfesten Flächen an einem weiteren Gehäuse des weiteren rheologischen Aktuators zusammenwirken.
Eine Rückstellung des Gangwahlschalters 10 in eine Ausgangsposition (Neutral- oder Nullposition) kann mittels eines außerhalb des Gehäuses 36 des Aktuators 30 angeordneten Federelements 14 erfolgen. Das Federelement 14 stützt sich an einem Gehäuse 11 des Gangwahlschalters ab.
Zur Auswahl von Schaltstufen des Gangwechselgetriebes wird eine Auslenkung des Gangwahlschalters 10 überwacht. Hierzu ist in dem Gehäuse 11 des Gangwahlschalters ein Sensor 20 vorgesehen, durch den eine Drehung einer Achse 13 des Gangwahlschalters überwacht wird. Eine die Auslenkung umfassende Information wird an eine nicht dargestellte Steuereinheit übertragen. Die Auslenkung resultiert in einem Winkel α, um den der Gangwahlschalter 10, z. B. aus einer Neutral- oder Nullstellung, verdreht wird, um eine andere Schaltstufe des Gangwechselgetriebes einzulegen. Die Steuereinheit dient dazu, in Abhängigkeit der Auslenkung des Gangwahlschalters 10 den Aktuator 30 (gegebenenfalls auch den weiteren Aktuator) zur Erzeugung einer der Auslenkung entsprechenden Haptik anzusteuern.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegen die Drehachsen 12 des Gangwahlschalters und eine Drehachse 33 des rheologischen Aktuators 30 in Übereinstimmung. Die Drehachse 33 des rheologischen Aktuator 30 ist durch die Anordnung und/oder Geometrie der Lamellenstruktur festgelegt. Die Drehachse 33 ist hierbei senkrecht zu den Hauptflächen der Statorflächen 32 und der Flächenabschnitte 15. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Drehachsen 12, 33 um einen Abstand d zueinander beabstandet. In dieser Ausgestaltungsform sind sowohl der Sensor 20 als auch das Federelement 14 außerhalb der Drehachse 33 des Aktuators angeordnet. Diese sind, wie dies aus 2 ohne weiteres ersichtlich ist, auf der Drehachse 13 des Gangwahlschalters 10 angeordnet. Hierdurch lässt sich das Gehäuse 11 des Gangwahlschalters mit einem anderen Formfaktor bereitstellen, als dies im ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Darüber hinaus kann durch die beabstandet zueinander liegenden Drehachsen 12, 33 eine Hebelwirkung bei der Auslenkung bzw. Verdrehung des Gangwahlschalters 10 genutzt werden, so dass die Flächenabschnitte 15 und die Statorflächen 32 der Lamellenstruktur hinsichtlich ihrer Größe kleiner ausgebildet werden können als im ersten Ausführungsbeispiel.
Für einen Fachmann ist es klar, dass der rheologische Aktuator 30 zur Ausnutzung der variierten Viskosität des Fluids 34 eine Vielzahl an abwechselnd angeordneten Flächenabschnitten 15 und Statorflächen 32 aufweisen kann. Im Minimalfall ist rein theoretisch das Vorsehen eines einzigen Flächenabschnitts 15 und einer Statorfläche 32 ausreichend.
Die Generierung der Haptik bei der Betätigung des Gangwahlschalters 10 erfolgt durch den magnetrheologischen Aktuator 30. Im Ausgangszustand liegt dazu ein durch den Permanentmagneten 31 verursachtes Magnetfeld an, das die Reibung eines konventionellen Gangwahlhebels nachbildet. Erfolgt eine Auslenkung des Gangwahlschalters 10, so wird die Position über den Sensor 20 detektiert und das magnetische Feld durch Ansteuerung des Elektromagneten 35 in der Weise verändert, dass die gewünschte Haptik, wie diese beispielsweise in 3 dargestellt ist, dynamisch und automatisch erzeugt wird.
3 zeigt eine dem Fachmann bekannte Haptikkurve. Auf der x-Achse ist ein Auslenkungswinkel α dargestellt. Auf der y-Achse ist eine für den Fahrer bei Betätigung des Gangwahlschalters wahrnehmbare Kraft F dargestellt. Typischerweise ist ein Gangwahlschalter, ausgehend von einer Neutral- oder Nullstellung, in zwei gegenüberliegende Richtungen bewegbar. Eine Betätigung des Gangwahlschaltelements (bezogen auf die Fahrrichtung) nach hinten ist beispielsweise durch Winkel mit positivem Vorzeichen, eine Betätigung des Gangwahlschalters (in Fahrtrichtung) nach vorne mit Winkeln mit negativem Vorzeichen gekennzeichnet. Beim Winkel α = 0 befindet sich der Gangwahlschalter in Neutral- bzw. Nullstellung.
Das Gangwechselgetriebe kann sich dabei – je nach vorangegangener Fahrsituation in Position „P” (Parken) oder „R” (Rückwärtsgang) befinden. Bei den in 3 gezeigten Haptikkurven H₁, H₂ wird beispielhaft davon ausgegangen, dass bei einer Betätigung der Gangwahlschalters nach hinten von der Position „R” über die Position „N” in die Position „D” (R → N → D) geschaltet wird. Möchte der Fahrer das Gangwechselgetriebe in die Position „D” (Drive) bringen, so muss bis zum Erreichen des Winkels α₁ eine Kraft F₁ aufgebracht werden, um zunächst in die Position „N” zu gelangen. Der Kraftanstieg wird durch eine Erhöhung der Viskosität des Fluids 34 erreicht. Wird der Gangwahlschalter über den Winkel α₁ hinaus weiter bewegt, so erfolgt durch Reduktion der Viskosität des Fluids ein Kraftabfall als haptische Rückmeldung für den Kunden. Bei Detektion eines Winkels α₂ ist ein elektrischer Kontaktpunkt erreicht, durch den das Gangwechselgetriebe zunächst in die Position „N” wechselt. Um schließlich in die Position „D” zu kommen, muss die Auslenkung des Gangwahlschalters weiter erhöht werden. Beim Erreichen des Winkels α₃ ist eine weitere Krafterhöhung bis zur Kraft F₃ zu überwinden. Bei weiterer Auslenkung erfolgt ein Kraftabfall durch Reduktion der Viskosität des Fluids. Mit dem Erreichen des Winkels α₄ ist schließlich die Position „D” erreicht, so dass ein Gangwechsel in einen Fahrgang erfolgt. Der Winkel α₅, bei dem eine maximale Kraft F₅ aufzubringen ist, stellt einen mechanischen Anschlag des Gangwahlschalters dar.
In umgekehrter Richtung, d. h. Winkel mit negativem Vorzeichen, wird die gleiche Haptikkurve mit negativen Kräften durchlaufen. Negative Kräfte bedeutet hierbei, dass die Kraft in entgegengesetzter Richtung aufgebracht werden muss. Dabei berücksichtigt die Haptikkurve den Fall, dass sich das Gangwechselgetriebe in der Position „D” befindet. Um in den Rückwärtsgang, d. h. die Position „R” zu gelangen, ist die Positionsfolge D → N → R zu überwinden. Beim Winkel –α₂ erfolgt ein Gangwechsel in die Position „N”, beim Erreichen des Winkels –α₄ ein Gangwechsel in die Position „R”.
Zusätzlich zu der beschriebenen Haptikkurve H₁ ist eine zu H₂ alternative zweite Haptikkurve H₂ in 3 dargestellt, welche mit geringen Kräften durchlaufen werden kann. Diese zweite Haptikkurve H₂ kann durch entsprechende Variation der Viskosität der Fluids 34 erzielt werden. Die unterschiedlichen Bedienkräfte können z. B. durch ein Bedienelement auf Fahrerwunsch eingestellt werden.
Die Rückstellung des Gangwahlschalters 10 erfolgt mittels einer Federkraft des vorgespannten Gangwahlschalters 10. Gleichzeitig erfolgt eine Viskositätserniedrigung des Fluids 34. Durch das anliegende magnetische Feld wird der Gangwahlschalter in der Raststellung gehalten. Aus der Raststellung heraus kann der Gangwahlschalter 10 in die Neutral- oder Nullstellung gebracht werden, indem der rheologische Aktuator 30 derart angesteuert wird, dass die Viskosität so stark herabgesetzt wird, dass die Vorspannkraft des Federelements 14 ausreichend ist, um eine Bewegung in die Neutral- bzw. Nullstellung zu erzielen.
Analog der beschriebenen Haptikgenerierung können durch geeignete Ansteuerung des oder der Aktuatoren bestimmte Schaltvorgänge durch eine Viskositätsänderung aktiv gesperrt werden. Hierdurch ist beispielsweise die Nachbildung eines handgeschalteten Gangwechselgetriebes möglich, bei dem der Gangwechsel jedoch auf elektromechanische Weise erfolgt. Hierdurch können insbesondere Getriebe mit einer hohen Anzahl an Gängen in H-Schaltung realisiert werden, wobei dem Fahrer des Fahrzeugs lediglich entsprechend einer Fahrsituation mögliche Schaltvarianten angeboten werden.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Haptik des Gangwahlschalters auf Wünsche oder bestimmte Fahrsituationen anzupassen. Beispielsweise kann durch die Auswahl eines Sportmodus die Haptikkurve mit kürzeren Schaltwegen bereitgestellt werden, indem die Winkel α₁ bis α₅ bzw. –α₁ bis –α₅ entsprechend proportional verringert werden. Eine solche Veränderung kann beispielsweise mittels eines Bedienelements hervorgerufen werden. Ebenso kann die Veränderung automatisch hervorgerufen werden.
Durch das Vorsehen des bereits erwähnten weiteren rheologischen Aktuators kann beispielsweise eine manuelle Sportmodusgasse ohne zusätzliche Rastkulisse nachgebildet werden.
Um eine Rückstellung des Gangwahlschalters in die Neutral- oder Nullstellung vorzunehmen, ist kein separater elektromechanischer Aktuator notwendig. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau der Betätigungseinrichtung.
Darüber hinaus weist die vorgeschlagene Betätigungseinrichtung große Gestaltungsfreiheiten hinsichtlich des Bauraumbedarfs auf.
Bezugszeichenliste

1: Betätigungseinrichtung
10: Gangwahlschalter
11: Gehäuse des Gangwahlschalters
12: Drehachse des Gangwahlschalters
13: Achse des Gangwahlschalters
14: Rückstellfeder
15: Flächenabschnitt
16: Schaft
17: Handhebel
20: Sensor
30: rheologischer Aktuator
31: Permanentmagnet
32: Flächenabschnitt
33: Drehachse des rheologischen Aktuators
34: rheologisches Fluid
35: Elektromagnet
36: Gehäuse
d: Abstand
H₁: Haptikkurve
H₂: Haptikkurve
F: Kraft
F₁: Kraft
F₂: Kraft
F₃: Kraft
F₄: Kraft
F₅: Kraft
F₆: Kraft
F₇: Kraft
α₁: Winkel
a₂: Winkel
a₃: Winkel
α₄: Winkel
α₅: Winkel

Claims

Betätigungseinrichtung zur Auswahl von Schaltstufen eines elektromechanischen oder eines Shift-by-Wire-Gangwechselgetriebes, umfassend einen bewegbaren Gangwahlschalter (10) mit monostabilen und/oder bistabilen Schalterstellungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haptik für die Verstellbewegung des Gangwahlschalters (10) durch zumindest einen rheologischen Aktuator (30) mit einem rheologischen Fluid (34) erzeugt ist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest einen Sensor (20) und eine Steuereinheit umfasst, wobei der Sensor (20) dazu eingerichtet ist, eine Auslenkung des Gangwahlschalters (10) zu erfassen und eine der Auslenkung entsprechende Information an die Steuereinheit zu übertragen, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslenkung den zumindest einen Aktuator (30) zur Erzeugung einer der Auslenkung entsprechenden Haptik anzusteuern.
Betätigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rheologische Aktuator (30) zumindest eine feststehende Statorfläche (32) und zumindest eine drehbar und/oder verschiebbare gelagerte weitere Fläche (15) umfasst, wobei die zumindest eine Statorfläche (32) und die zumindest eine weitere Fläche (15) einander abwechselnd angeordnet sind und die zumindest eine weitere Fläche (15) mit dem Gangwahlschalter (10) mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Verstellbewegung des Gangwahlschalters (10) zu einer Drehung oder Verschiebung der zumindest einen weiteren Fläche (15) relativ zu der zumindest einen Statorfläche (33) führt.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Fläche (15) in der oder parallel zu einer Längsachse eines Schafts (16) des Gangwahlschalters (10) liegt.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rheologische Fluid (34) in dem Raum zwischen der zumindest einen Statorfläche (32) und der zumindest einen weiteren Fläche (15) befindlich ist.
Betätigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rheologische Aktuator (30) einen steuerbaren Elektromagneten (35) umfasst, dessen magnetische Feldstärke durch Ansteuerung variiert werden kann, wobei die Viskosität des Fluids (34) durch Ansteuerung des Elektromagneten (35) variierbar ist.
Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rheologische Aktuator (30) einen Permanentmagneten (31) umfasst, durch den das Fluid (34) in eine Grundviskosität versetzt ist, um bei nicht angesteuertem Elektromagneten eine Fixierung des Gangwahlschalters (10) zu bewirken.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (31) und der Elektromagnet (35) derart in dem rheologischen Aktuator (30) angeordnet sind, dass, je nach Ansteuerung des Elektromagneten (35), die magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten (31) verstärkt oder abgeschwächt oder eliminiert werden.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6 und 7 oder 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (31) und der Elektromagnet (35) auf gegenüberliegenden Seiten der Lamellenstruktur aus der zumindest einen Statorfläche (32) und der zumindest einen weiteren Fläche (15) angeordnet sind.
Betätigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangwahlschalter (10) mit zumindest einem Federelement gekoppelt ist, welche eine Rückstellung des Gangwahlschalters (10) in eine Ausgangsposition bewirken, wenn eine die Verstellbewegung herbeiführende Nutzerkraft entfällt und/oder die Zündung ausgeschaltet ist bzw. wird.
Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (12) des Gangwahlschalters (10) in Übereinstimmung mit einer Drehachse (33) des rheologischen Aktuators (30) angeordnet ist.
Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (12) des Gangwahlschalters (10) um einen Abstand (d) zu der Drehachse (33) des rheologischen Aktuators (30) versetzt angeordnet ist.