DE19609792A1 - Sensoranordnung für ein stufenloses Getriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Sensoranordnung für ein stufenloses Getriebe nach Anspruch 1. Die Wirkungs­ weise eines stufenlosen Getriebes und eine mögliche Art und Anordnung von Sensoren zur Drehzahlmessung und Überset­ zungsmessung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 44 09 738 beschrieben. Die in dieser Schrift vorgeschlagene Anordnung hat den Nachteil, daß zwei Geberräder und zwei Sensoren an zwei räumlich getrennten Orten im Getriebe an­ geordnet werden müssen und daß die Drehrichtung nicht er­ kannt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zu schaffen, die mit einem Geberrad und einem Sensor auskommt und die Drehrichtung erkennt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Das der Erfindung zugrunde liegende stufenlose Getrie­ be ist aus jeweils einer ortsfesten und einer axial beweg­ lichen Primär- und Sekundärkegelscheibe sowie einem die Kegelscheiben umschlingenden Kraftübertragungselement auf­ gebaut. Letzteres kann als Schubgliederband, Riemen oder Kette ausgebildet sein. Das Übersetzungsverhältnis ist von dem Eingriffsradius des Kraftübertragungselements auf den Kegelscheiben abhängig. Die jeweils spiegelbildlich koaxial gegenübergestellten Primär- bzw. Sekundärkegelscheiben zei­ gen mit den Kegelmantelflächen zueinander, d. h. ihr Abstand ist innen am kleinsten und außen am größten. Das die Kegel­ scheiben umschlingende Kraftübertragungselement hat eine konstante, definierte Breite. Der Kegelwinkel von Primär- und Sekundärkegelscheiben ist konstant und bei beiden gleich. Das bedeutet, der Eingriffsradius des Kraftübertra­ gungselements auf den Kegelscheiben ändert sich linear mit der Änderung des axialen Abstandes zwischen jeweils den Primär- bzw. Sekundärkegelscheiben. In dem Maße, in dem der Eingriffsradius des Kraftübertragungselements auf der Pri­ märkegelscheibe zunimmt, d. h. der axiale Abstand dieser Scheiben abnimmt, nimmt der Eingriffsradius des Kraftüber­ tragungselements auf der Sekundärkegelscheibe ab, d. h. der axiale Abstand dieser Scheiben nimmt zu, da das Kraftüber­ tragungselement eine konstante Länge aufweist. Das bedeu­ tet, der axiale Abstand eines Kegelscheibenpaares, oder bei raumfester Anbringung einer Kegelscheibe die axiale Posi­ tion der zweiten axial beweglichen Kegelscheibe, bestimmt das Übersetzungsverhältnis. Dieses kann damit über die axiale Lage einer der beweglichen Kegelscheiben gemessen werden.

Zum Messen der Drehrichtung und Drehzahl von den den Kegelscheiben zugeordneten Getriebewellen und des Überset­ zungsverhältnisses des Getriebes ist auf dem Umfang eines Geberrades, das mit einer der beweglichen Kegelscheiben verbunden und zu dieser koaxial angeordnet ist, oder auf dieser Kegelscheibe selbst eine Struktur aufgebracht, die aus einer periodischen Fortsetzung von einzelnen Struktur­ musterelementen besteht. Diese Struktur wird von einem Sen­ sor abgetastet, der gegenüber dem Geberrad raumfest ange­ bracht ist. Bei einer günstig gewählten Struktur läßt sich damit die Drehzahl und über die Veränderung der Struktur in axialer Richtung die axiale Position der Kegelscheibe und damit das Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmen, wobei sich die Drehrichtung anhand des Signalverlaufs eines einzelnen Strukturmusterelements ermitteln läßt. Denn der Eingriffsradius des Kraftübertragungselements auf den Ke­ gelscheiben ist von der axialen Position der beweglichen Kegelscheibe abhängig. Durch den Eingriffsradius des Kraftübertragungselements bei einem Kegelscheibenpaar ist der Eingriffsradius des anderen wegen der konstanten Länge des Kraftübertragungselements bestimmt und damit auch das Verhältnis der Radien, d. h. das Übersetzungsverhältnis des Getriebes.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht diese Struktur aus einzelnen Strukturmusterelemen­ ten gleichen Abstandes. Ein Strukturmusterelement ist je­ weils aus zwei zusammenlaufenden Linien unterschiedlicher Breite aufgebaut. Die axiale Ausdehnung der Struktur ist größer als die Summe von der axialen Breite des von dem Sensor erfaßten Gebiets und der maximalen axialen Verschie­ bungslänge der beweglichen Kegelscheibe. Der Abstand der einzelnen Strukturmusterelemente in Umfangsrichtung ist größer als der maximale Abstand der beiden Linien eines Strukturmusterelements.

Beim Umlaufen der Kegelscheibe detektiert der Sensor ein Signal, wenn ein Strukturmusterelement vorbeiläuft. Die Frequenz dieses Signals eines gesamten Strukturmusterele­ ments ist proportional zur Umlaufgeschwindigkeit der Kegel­ scheibe. Das Signal eines Strukturmusterelements setzt sich aus einem Teilsignal mit längerer und einem mit kürzerer Zeitdauer zusammen, wobei das längere Teilsignal durch den Durchgang der breiten Linie und das kürzere Teilsignal durch den Durchgang der schmalen Linien hervorgerufen wird. Die Drehrichtung ist anhand der zeitlichen Reihenfolge der beiden Teilsignale zu erkennen. Die axiale Lage der Kegel­ scheibe und damit das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist durch den zeitlichen Abstand zwischen dem längeren und dem kürzeren Teilsignal in Relation zu der Frequenz des Gesamtsignals der Strukturmusterelemente bestimmbar. In an­ deren Worten, der Quotient aus "Zeitintervall zwischen dem Durchgang der breiten und der schmalen Linie" und "Zeitin­ tervall des Durchgangs der einzelnen Strukturmusterelemen­ te" ist ein Maß für das Übersetzungsverhältnis des Getrie­ bes.

Diese Struktur kann eine optisch erkennbare sein, die von optischen Sensoren detektiert wird.

Sie kann aber auch als magnetische Struktur ausgebil­ det sein, die von magnetischen Sensoren detektiert wird.

Der Sensor kann beispielsweise eine Induktionsspule sein, in der ein Induktionsspannungssignal hervorgerufen wird, wenn eine Linie der magnetischen Struktur die Spule passiert. Die magnetische Struktur kann vorzugsweise auf­ magnetisiert sein, oder ein magnetisches Material besitzt eine Formstruktur. Vorteilhaft kann auch ein magnetisches Material auf ein Geberrad als Struktur aufgebracht werden.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist neben der Induktionsspule ein Permanentmagnet angebracht. Das Geberrad besitzt dabei eine Struktur unter­ schiedlicher Magnetisierbarkeit oder eine Formstruktur und besteht aus einem magnetisierbaren Material. Die Linien der Struktur wirken dabei als magnetisches Joch, wenn sie die Spule und den Permanentmagneten passieren.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht das Geberrad aus einem magnetisierbaren Material und be­ sitzt eine Formstruktur. Die Spule ist stromdurchflossen und erzeugt damit ein Magnetfeld. Passiert eine Linie der Struktur die Spule, so ändert sich die Permeabilität und damit das Magnetfeld. Diese führt in der Spule zu einer induzierten Gegenspannung, die den Spulenstrom ändert. Durch eine geeignete Schaltung läßt sich ein Signal abneh­ men.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht das Geberrad aus einem elektrisch leitenden Material und besitzt eine Formstruktur. Die Spule ist mit Wechselstrom beschaltet und erzeugt damit ein magnetisches Wechselfeld. Passiert eine Linie der Struktur die Spule, so wirkt sie als Gegeninduktivität und ändert damit die Gesamtinduktivi­ tät. Durch eine geeignete Schaltung läßt sich ein Signal abnehmen. Die Spule kann z. B. in einem Schwingkreis ge­ schaltet sein, beim Einwirken der Strukturlinie, d. h. der Gegeninduktivität, ändert sich die Resonanzfrequenz.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht das Geberrad aus einem elektrisch leitenden Material und besitzt eine Formstruktur. Alternativ besteht das Geberrad aus einem elektrisch leitenden Material und besitzt eine Struktur aus einem aufgebrachten Dielektrikum. Diese Struk­ turlinien des Geberrades wirken als Gegenkapazität eines kapazitiven Sensors. Letzteres kann als metallische Schicht oder Metallplättchen, das als Kondensatorplatte wirkt, aus­ gebildet sein. Beim Passieren einer Linie ändert sich die Kapazität und damit die Ladung des kapazitiven Sensors. Der Ladestrom kann als Signal herangezogen werden.

Erweitert man die oben beschriebene Sensoranordnung um eine zweite Sensoranordnung, die analog auf der gegenüber­ liegenden, durch das Kraftübertragungselement verbundenen Welle angeordnet ist, so kann man aus dem Vergleich des nach obiger Methode bestimmten Übersetzungsverhältnisses zu dem Übersetzungsverhältnis, das aus dem Drehzahlverhältnis der Wellen ermittelt wird, eine Aussage über den Schlupf des Kraftübertragungselements gewinnen. Das Geberrad der zweiten Sensoranordnung kann als Struktur ein einfaches Strichmuster beinhalten. Beim Auftreten von einem Schlupf kann das Kraftübertragungselement nachgespannt werden. Die­ se Anordnung kann genutzt werden, um den minimal nötigen Anpreßdruck des Kraftübertragungselements auf die Kegel­ scheiben zu ermitteln. Die Größe des minimal nötigen An­ preßdrucks kann als Eingabegröße in ein Regelprogramm ein­ gehen.

In Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Geberrad mit einer Struktur und

Fig. 2 das von dem Sensor aufgenommene Signal.

Ein Geberrad 1 ist an einer axial beweglichen Kegel­ scheibe 2 eines stufenlosen Getriebes angebracht. Ein Sen­ sor 3 tastet eine Struktur 4 auf dem Außenmantel des Geber­ rades 1 ab. Diese Struktur 4 besteht aus einzelnen Struk­ turmusterelementen gleichen Abstandes. Dabei ist ein Struk­ turmusterelement aus zwei zusammenlaufenden Linien unter­ schiedlicher Breite aufgebaut. Die Drehzahl wird anhand der Frequenz des Durchgangs der Strukturmusterelemente be­ stimmt. Je nach axialer Verschiebung der Kegelscheibe und damit des Geberrades I ist der Abstand der beiden zusammen­ laufenden Linien in Umfangsrichtung größer oder kleiner. Da die Linien gerade sind und mit konstantem Winkel aufeinan­ der zulaufen, ist ihr Abstand in Umfangsrichtung direkt proportional zur axialen Position der Kegelscheibe. Das Zeitintervall zwischen dem Durchgang der breiten und der schmalen Linie berechnet sich aus ihrem Abstand, dividiert durch das Produkt aus Radius und Winkelgeschwindigkeit des Geberrades 1. Das Verhältnis von diesem Zeitintervall zu dem Zeitintervall zwischen den Durchgängen von zwei Struk­ turmusterelementen ist ein Maß für die axiale Verschiebung der Kegelscheibe 2 und damit ein Maß für den Eingriffs­ radius des Kraftübertragungselements 6 und damit für die Übersetzung. Die Drehrichtung der Kegelscheibe 2 wird an­ hand der Reihenfolge der Signale von der breiten und der schmalen Linie innerhalb eines Signals eines Struktur­ musterelements bestimmt. Die axiale Ausdehnung der Struktur ist größer als die Summe von der axialen Breite des von dem Sensor erfaßten Gebiets und der maximalen axialen Verschie­ bungslänge der beweglichen Kegelscheibe. Der Abstand der einzelnen Strukturmusterelemente in Umfangsrichtung ist größer als der maximale Abstand der beiden Linien der Struktur.

Bezugszeichenliste

1 Geberrad
2 Kegelscheibe
3 Sensor
4 Struktur
5 Signal
6 Kraftübertragungselement.

Claims (10)

1. Sensoranordnung für ein stufenloses Getriebe, das aus jeweils einer ortsfesten und einer axial beweglichen Primär- und Sekundärkegelscheibe sowie einem die Kegel­ scheiben (2) umschlingenden Kraftübertragungselement (6) aufgebaut ist, und dessen Übersetzungsverhältnis von der axialen Position der beweglichen Kegelscheiben (2), die den Eingriffsradius des Kraftübertragungselements (6) festlegt, abhängig ist, zum Erfassen der Drehrichtung und Drehzahl von den den Kegelscheiben (2) zugeordneten Getriebewellen und des Übersetzungsverhältnisses, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Umfang eines Geber­ rades (1), das mit einer axial beweglichen Kegelscheibe (2) verbunden und zu diesem koaxial angeordnet ist, oder auf dieser Kegelscheibe (2) selbst eine Struktur (4) aufge­ bracht ist, die von einem Sensor (3) abgetastet wird, und anhand derer sich die Drehzahl und über die Veränderung der Struktur (4) in axialer Richtung die Drehrichtung und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmen läßt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese Struktur (4) aus ein­ zelnen Strukturmusterelementen gleichen Abstandes besteht, wobei ein Strukturmusterelement aus zwei zusammenlaufenden Linien unterschiedlicher Breite besteht, und die Drehzahl anhand der Frequenz des Durchgangs der Strukturmusterele­ mente bestimmt wird und die axiale Position der Kegelschei­ be (2) und indirekt damit das Übersetzungsverhältnis des Getriebes anhand des Quotienten aus "Zeitintervall zwischen dem Durchgang der breiten und der schmalen Linie" und "Zeitintervall des Durchgangs der einzelnen Strukturmuster­ elemente" ermittelt wird und die Drehrichtung anhand der Reihenfolge der Signale von der breiten und der schmalen Linie innerhalb eines Signals eines Strukturmusterelements bestimmt wird.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Struk­ tur (4) von einem optischen Sensor (3) detektiert wird.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Struk­ tur (4) von einem magnetischen Sensor (3) detektiert wird.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem Geberrad (1) eine magnetische Struktur (4) aufgebracht oder herausgearbeitet ist, die in einer Induktionsspule als Sensor (3) ein Span­ nungssignal erzeugt.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem Geberrad (1) eine Struktur (4) aus magnetisierbarem Material aufgebracht oder herausgearbeitet ist, die ein magnetisches Joch im Zusam­ menwirken mit einer Induktionsspule und einem daneben an­ geordneten Permanentmagneten bildet, das den magnetischen Fluß durch die Induktionsspule kanalisiert und damit in dieser ein Spannungssignal erzeugt wird.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem Geberrad (1) eine Struktur (4) aus magnetisierbarem Material aufgebracht oder herausgearbeitet ist, die bei einer stromdurchflossenen Spule die Permeabilität ändert und durch die damit verbun­ dene Änderung des Magnetfeldes eine Gegenspannung in der Spule induziert, die den Spulenstrom ändert und damit ein Signal erzeugt wird.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Geberrad (1) eine Struktur (4) aus metallischem Material aufgebracht oder herausgearbeitet ist oder auf einem Metall eine Struk­ tur (4) aus einem Dielektrikum aufgebracht oder herausge­ arbeitet ist, die als Gegenkapazität eines kapazitiven Sensors (3), beispielsweise einer Kondensatorplatte, wirkt und durch Änderung der Kapazität ein Ladestromsignal in dem kapazitiven Sensor (3) erzeugt.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung im Zusammenwirken mit einer zweiten Sensoranordnung das Dreh­ zahlverhältnis von Primär- zu Sekundärwelle ermittelt, wo­ bei die zweite Sensoranordnung analog auf der gegenüberlie­ genden, durch das Kraftübertragungselement (6) verbundenen Welle angeordnet ist, wobei das derart ermittelte Überset­ zungsverhältnis mit dem aus der ersten Sensoranordnung er­ mittelten verglichen wird und daraus der Schlupf des Kraft­ übertragungselements berechnet wird.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kraftübertragungsele­ ment (6) beim Auftreten von einem Schlupf nachgespannt wird und insbesondere der Anpreßdruck des Kraftübertragungsele­ ments (6) auf die Kegelscheiben (2) geregelt wird, wobei der Schlupf des Kraftübertragungselements (6) als Eingabe­ größe in ein Regelprogramm eingeht.