Twin-Sensor ermöglicht kompakten Zentraleinrücker für Doppelkupplungsgetriebe

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Exakte Positionsbestimmung von Kolben und Eirücklagern ist unerlässlich

Letztendlich ist es wichtig für die Regelung der hydraulischen Ansteuerung der Kupplungen deren exakte Position bzw. die der jeweiligen Kolben bzw. Einrücklager zu kennen und zwar so exakt wie möglich, d.h. ohne Verluste. Relativ einfach wäre die Platzierung der beiden Sensoren außerhalb der Getriebeglocke beispielsweise an zwei zusätzlichen Ansteuerzylindern. Das bedeutet jedoch Abweichungen durch Temperaturunterschiede innerhalb und außerhalb der Glocke sowie mögliche Einflüsse durch das Medium selbst aufgrund von Luft im Medium. Folglich muss die Position direkt im Doppelzentraleinrücker gemessen werden.

Enorme Herausforderung für die Wegsensoren

Die Aufgabenstellung an beide Wegsensoren lautet, die jeweilige Position der beiden Kupplungseinrücklager fortwährend und zuverlässig festzustellen. Dabei müssen die Messwerte für das Außenlager, verantwortlich für die ungeraden Gänge, und das Innenlager, verantwortlich für die geraden Gänge, unabhängig voneinander erfasst und ausgegeben werden.

Auch die Umgebungsbedingungen sind zu berücksichtigen

Das 3-D-Modell zeigt die Position des Sensors am Einrücker (Archiv: Vogel Business Media)

Neben der eigentlichen Messaufgabe sind im automobilen Umfeld vor allem auch die Umgebungsbedingungen bei der Auswahl geeigneter Messprinzipien maßgeblich. Da die Kupplung sehr nahe am Motor liegt, muss sicher gestellt werden, dass grundsätzlich die Funktionsfähigkeit der Wegsensoren über den vorgegebenen großen Temperaturbereich (-40 bis 150 °C) gewährleistet ist.

Als wesentlicher Parameter im Vorfeld der Sensorauswahl wirkt sich der zur Verfügung stehende Bauraum aus. Wie so häufig stehen für die Sensorik nicht mehr als wenige cm³ zur Verfügung. Nur selten kann der Bauraum zur Optimierung der Sensorposition erweitert werden. Auch in diesem Fall war es nicht möglich.

Die Auswahl der geeigneten Sensoren

Des Weiteren müssen die benachbarten Bauteile hinsichtlich des Materials (ferromagnetisch oder nicht ferromagnetisch) berücksichtigt werden. Ferromagnetische Materialien wirken auf Magnetsensoren und tragen außerdem dazu bei, dass sich magnetische Störfelder aus der weiteren Umgebung in die Messumgebung einkoppeln können.

Beim Zentraleinrücker von FTE ist die Wegmessung am äußeren Lager seitlich möglich. Die Entscheidung fiel daher auf das von Micro-Epsilon patentierte Messsystem VIP (Verschleißfrei-Induktiv-Potentiometrisch), das keinen Permanentmagneten erfordert. Als Messobjekt dient ein kleiner Ring aus Aluminium oder einem anderen leitfähigen Material, der über den Sensor gestülpt wird.

Für das innere Lager ist eine sehr kompakte Sensorbauweise nötig, da nur ein schmaler, länglicher Hohlraum zur Verfügung steht. In diesem Fall fiel die Wahl auf das Messprinzip mainSENSOR MDS (magneto inductive), das einen Permanentmagneten als Target am Messobjekt erfordert.

Gemeinsame Halterung für beide Sensoren

Beim gemeinsamen Projekt von FTE und Micro-Epsilon wurde der Einrücker für Doppelkupplungsgetriebe entwickelt (Archiv: Vogel Business Media)

Beide Sensoren wurden auf einer gemeinsamen Halterung befestigt, wobei die Elektronik zur Signalverarbeitung wegen der sehr hohen Temperaturen im Getriebe bei laufendem Motor ausgelagert werden muss. Sie wird in einem separaten kleinen Gehäuse untergebracht, das durch ein rund 35 cm langes Kabel mit den Sensoren verbunden ist und an geeigneter Stelle im Motorraum montiert wird.

So funktioniert das verschleißfrei-induktiv-potentiometrische Messprinzip VIP

Bei elektromagnetischen Wegsensoren der Serie VIP wird eine Messspule auf einen Spulenkörper aufgewickelt und mit mehreren Spannungsabgriffen ausgestattet. Als Messobjekt (Target) dient ein kleiner Ring aus elektrisch leitendem Material, z.B. Aluminium, bzw. eine Bohrung in diesem leitenden Material.

Die Messspule wird von einem Oszillator mit zwei gegensinnigen Wechselspannungen gespeist. In Abhängigkeit von der Position des Messobjektes ändert sich im abgedeckten Bereich die Impedanz der Messspule.

Eine Auswerteelektronik bereitet die abgegriffenen Spannungen so auf, dass an ihrem Ausgang ein kontinuierliches Signal erzeugt wird, welches der Position des Messobjekts proportional ist. Befindet sich beispielsweise das Messobjekt genau in der Mitte des Messbereichs (und damit auch in der Mitte der Messspule), so entspricht das Ausgangssignal genau der Referenzspannung.

Das VIP-Prinzip ermöglicht sehr kurze Reaktionszeiten und ist dadurch auch für hochdynamische Prozesse geeignet. Durch das günstige Verhältnis zwischen Messbereich und Sensorlänge und die daraus folgende kompakte Bauform eignen sich diese Sensoren hervorragend für beengte Bauräume.

Magnetisch-induktives Messprinzip mainSENSOR

Das dem mainSENSOR zugrunde liegende Funktionsprinzip arbeitet auf magnetisch-induktiver Basis und kann folgendermaßen beschrieben werden: Eine mit Wechselstrom gespeiste Spule hat ein primäres Magnetfeld zur Folge. Nach der Maxwellschen Gleichung erzeugt dieses Magnetfeld Wirbelströme in dem elektrisch leitfähigen Material, das der Spule gegenüber angeordnet ist. Die Wirbelströme bewirken ihrerseits ein zweites, sekundäres Magnetfeld. Das sekundäre Magnetfeld wirkt, gemäß der Lenzschen Regel, dem primären Magnetfeld entgegen und schwächt es daher ab. Bei Annäherung des Permanentmagneten wird der Sensor zwischen Spule und elektrisch leitfähigem Material in seinen elektromagnetischen Eigenschaften so verändert, dass eine Rückkopplung zwischen der Position des Permanentmagneten und den Wirbelströmen zur Signalauswertung genutzt werden kann.

Der Sensor arbeitet mit zwei verschiedenen Targets, wobei der hintere Teil im Einrücker verschwindet (Archiv: Vogel Business Media)

Da für den mainSENSOR gedruckte Spulen Verwendung finden können, ist das notwendige Herstellungsverfahren nicht auf Halbleiterprozesse angewiesen. Der Sensor verfügt über eine extrem hohe Grundempfindlichkeit, was eine sehr einfache und folglich kostengünstige Auswerteschaltung möglich macht. Mit einem Wirbelstromsensor als technologischem Kern können dabei sowohl sehr schnelle als auch sehr hoch auflösende Ausführungen umgesetzt werden. Im Vergleich zu Hall-Sensoren können z.B. deutlich größere Messbereiche (aktuell sind 60 mm realisiert) erreicht werden. Als Ausgangssignal steht ein PWM-Signal zur Verfügung, das von einem Mikrocontroller einfach über eine Zeitmessung ausgelesen werden kann.

*Dipl.-Ing. (FH) Andreas Püschel ist Mitarbeiter im Vertrieb Sensorik Automotive bei der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in Ortenburg, Dipl.-Ing.(FH) Stefan Gebert in der Entwicklung Kupplungsbetätigungssysteme bei der FTE automotive GmbH & Co.KG in Ebern.

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