DE102005018308A1

DE102005018308A1 - Hydraulisches Servolenkventil mit Lenkmomentüberlagerung

Info

Publication number: DE102005018308A1
Application number: DE102005018308A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dieter Dr. Heitzer
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Servolenkventil für eine hydraulische Servolenkung, mit einer Eingangswelle (12), einer Ausgangswelle (16), einem Torsionsstab (24), der die Eingangswelle und die Ausgangswelle relativ zueinander in eine Mittelstellung beaufschlagt, und einem Ventil, das aus einer Ventilhülse (22) und einer Ventilwelle (20) besteht, die bei einer Verdrehung der Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle relativ zueinander verdreht werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellantrieb (32, 34, 44) vorgesehen ist, der ein Bauteil (12, 24; 16, 22) des Servolenkventils gegenüber einem anderen verdrehen kann, so daß einer Eingangsgröße, die durch die Betätigung der Eingangswelle vorgegeben ist, eine Überlagerungsgröße überlagert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Servolenkventil für eine hydraulische Servolenkung, mit einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle, einem Torsionsstab, der die Eingangswelle und die Ausgangswelle relativ zueinander in eine Mittelstellung beaufschlagt, und einem Ventil, das aus einer Ventilhülse und einer Ventilwelle besteht, die bei einer Verdrehung der Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle relativ zueinander verdreht werden.

Ein solches Servolenkventil ist allgemein bekannt. Die Verdrehung der Ventilhülse relativ zur Ventilwelle bewirkt, daß in Abhängigkeit von der Richtung der Verdrehung ein Hydraulikstrom in der einen oder anderen Richtung bereitgestellt wird. Dieser Hydraulikstrom wird in einem Hydraulikzylinder in eine Lenkunterstützungskraft umgesetzt. Der Betrag der Lenkunterstützungskraft hängt dabei von dem Lenkmoment ab, das vom Fahrer über das Lenkrad auf die Eingangswelle aufgebracht wird.

Bei modernen Lenksystemen ist es wünschenswert, daß der Lenkvorgang von außen beeinflußt werden kann. Anders ausgedrückt soll der bisher einzigen Eingangsgröße des Servolenkventils, nämlich dem vom Fahrer ausgeübten Lenkmoment, eine Überlagerungsgröße überlagert werden, die zu einer Modifizierung des Lenkbefehls führt. Auf diese Weise können beispielsweise Systeme zur automatischen Fahrzeugstabilisierung auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs einwirken. Schließlich kann die vom Fahrer über das Lenkrad wahrgenommene Lenkcharakteristik des Lenksystems (das „Lenkgefühl") geändert werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Servolenkventil der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß einer vom Fahrer vorgegebenen Eingangsgröße eine Überlagerungsgröße überlagert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Stellantrieb vorgesehen, der ein Bauteil des Servolenkventils gegenüber einem anderen verdrehen kann, so daß einer Eingangsgröße, die durch die Betätigung der Eingangswelle vorgegeben ist, eine Überlagerungsgröße überlagert wird. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, anstelle von aus dem Stand der Technik bekannten Überlagerungsgetrieben unmittelbar auf die Bauteile des Hydraulikventils einzuwirken, die letztendlich für Betrag und Richtung des Hydraulikstroms verantwortlich sind. Insbesondere kann die Ventilhülse relativ zur Ausgangswelle oder das der Eingangswelle zugeordnete Ende des Torsionsstabes relativ zur Eingangswelle verdreht werden. Für den Stellantrieb ist insbesondere ein Wellgetriebe geeignet, das die notwendige Verdrehung der Bauteile relativ zueinander hervorruft. Das Wellgetriebe zeichnet sich durch geringen Platzbedarf bei gleichzeitig sehr hohem Untersetzungsfaktor aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
1 schematisch einen Schnitt durch ein Servolenkventil gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 in vergrößertem Maßstab den mit dem Stellantrieb versehenen Abschnitt des Servolenkventils von 1;
die 3a und 3b in schematischen Ansichten die Ausgestaltung und Anordnung des Stellantriebs;
die 4a bis 4c Details der beim Servolenkventil von 1 verwendeten Zentriereinrichtung; und
die 5a und 5b schematisch den Stellantrieb für ein Servolenkventil gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist schematisch ein Servolenkventil 10 gezeigt, das eine Eingangswelle 12, ein Gehäuse 14 und eine Ausgangswelle 16 aufweist. Die Eingangswelle ist mit einem (nicht dargestellten) Lenkrad gekoppelt. Die Ausgangswelle ist mit einer Verzahnung 18 versehen, die mit einer (nicht dargestellten) Zahnstange zusammenwirkt, die wiederum über ein Lenkgestänge mit lenkbaren Fahrzeugrädern verbunden ist. Der Abtrieb von der Ausgangswelle 16 kann natürlich auch auf andere Weise erfolgen.
Die Eingangswelle 12 ist an ihrem bezüglich 1 linken Ende als Ventilwelle 20 ausgebildet, die innerhalb einer Ventilhülse 22 angeordnet ist. Die Ventilwelle 20 zusammen mit der Ventilhülse 22 bildet ein an sich bekanntes Ventil, welches durch Verdrehung der Ventilwelle relativ zur Ventilhülse einen Hydraulikstrom steuert. Die Ventilhülse 22 ist drehfest mit der Ausgangswelle 16 verbunden. Zwischen der Eingangswelle 12 und der Ausgangswelle 16 ist ein Torsionsstab 24 angeordnet, der die Eingangswelle und die Ausgangswelle relativ zueinander in eine Mittelstellung beaufschlagt. Die maximal mögliche Verdrehung der Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle ist durch mechanische Anschläge vorgegeben.
Die Wirkungsweise des bis hier beschriebenen Servolenkventils ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.
Zur Modifizierung der durch die Betätigung der Eingangswelle 12 vorgegebenen Eingangsgröße ist gemäß der Erfindung das der Eingangswelle 12 zugeordnete Ende des Torsionsstabes 24 (nachfolgend „erstes Ende" genannt) nicht drehfest mit der Eingangswelle 12 verbunden, sondern kann gesteuert relativ zu dieser verdreht werden. Zu diesem Zweck ist eine Stellhülse 26 vorgesehen, die drehbar auf der Eingangswelle 12 angebracht ist. In der Stellhülse 26 ist fest ein Stift 28 aufgenommen, der auch im ersten Ende des Torsionsstabes 24 fest aufgenommen ist. Die Eingangswelle 12 ist dagegen im Bereich des Stiftes 28 mit zwei Öffnungen 30 (siehe auch 3b) versehen, die sich in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich erstrecken, der größer ist als der vom Stift 28 eingenommene Winkelbereich. Anders ausgedrückt ermöglicht die Öffnung 30, daß der Stift 28 (und damit das erste Ende des Torsionsstabes 24) ausgehend von einer Mittelstellung in beide Richtungen relativ zur Eingangswelle 12 verdreht wird.
Die Stellhülse 26 ist mit einem flexiblen Innenring 32 eines Wellgetriebes (auch bekannt unter dem Namen „Harmonic Drive") verbunden. Der flexible Innenring 32 ist auf seiner Außenseite mit einer Verzahnung versehen, die in einer Verzahnung abläuft, die auf der Innenseite eines Außenringes 34 gebildet ist. Der Außenring 34 des Wellgetriebes ist drehfest über eine Muffe 36 und einen Verbindungsstift 38 mit der Eingangswelle 12 verbunden. Innerhalb des flexiblen Innenrings 32 ist eine Antriebsscheibe 40 des Wellgetriebes angeordnet, die mit einem Rotor 42 eines Antriebsmotors 44 des Stellantriebs verbunden ist. Der Antriebsmotor 44 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor. Sein Stator ist am Gehäuse 14 abgestützt.
Der Antriebsmotor 44 ist mit einem Sensor 60 ausgestattet, der einer Steuereinheit Informationen über die aktuelle Stellung des Rotors 42 des Antriebsmotors 44 liefert. Zusätzlich ist ein (nicht dargestellter) Lenkwinkelsensor vorgesehen, der die Position der Eingangswelle erfaßt.
Durch Betätigung des Antriebsmotors 44 kann über das Wellgetriebe das erste Ende des Torsionsstabes 24 relativ zur Eingangswelle 12 verdreht werden. Auf diese Weise wird der über die Eingangswelle vorgegebenen Eingangsgröße eine Überlagerungsgröße überlagert. Diese kann insbesondere dazu dienen, das vom Fahrer gefühlte Lenkmoment zu ändern, ohne daß dabei die Ausgangswelle 16 verdreht wird.
Falls bei dem bis hier beschriebenen Servolenkgetriebe eine Störung am Stellantrieb auftritt, führt dies nicht zu einem Ausfall des Servolenkgetriebes, sondern lediglich zu einer fehlerhaften Justierung. Falls beispielsweise der Antriebsmotor 44 ausfällt, wenn das erste Ende des Torsionsstabes 24 maximal relativ zur Eingangswelle 12 verdreht ist, führt dies dazu, daß in der theoretisch korrekten Mittelstellung des Lenkventils die Ventilhülse relativ zur Ventilwelle verdreht ist. Das Servolenkgeteriebe als solches ist jedoch noch funktionsfähig.
Zur Verbesserung der Ausfallsicherheit ist eine Zentriereinrichtung vorgesehen (siehe auch 4), die ein Abstützelement 50 aufweist, das drehfest mit der Eingangswelle 12 verbunden ist, sowie ein Zentrierelement 52, das über einen Zapfen 54 und eine Nut 56 drehfest, jedoch axial verschiebbar am Rotor 42 des Antriebsmotors 44 des Stellantriebs angebracht ist. Das Zentrierelement 52 wird von einer Feder 58 gegen das Abstützelement 50 beaufschlagt.
Das Abstützelement 50 weist eine Kurvenfläche 60 auf, die etwa den Verlauf eines Schnittes schräg zur Mittelachse durch das Abstützelement 50 hat. Anders ausgedrückt weist die Kurvenfläche 60 einen „tiefsten" Punkt 62 auf, von dem ausgehend die Kurvenfläche in jeder Umfangsrichtung „ansteigt". Der „höchste" Punkt der Kurvenfläche befindet sich somit um 180° verdreht gegenüber dem „tiefsten" Punkt.
Das Zentrierelement 52 ist komplementär zur Kurvenfläche 60 des Abstützelementes 50 ausgeführt. Hieraus folgt, daß das Zentrierelement 52 von der Feder 58 in eine Mittelstellung beaufschlagt wird, in welcher der „höchste" Punkt der Kurvenfläche des Zentrierelementes 52 am „tiefsten" Punkt 62 der Kurvenfläche 60 des Abstützelementes 50 liegt (siehe 4b). Ausgehend von dieser Mittelstellung kann das Zentrierelement 52 in jeder Richtung relativ zum Abstützelement 50 verdreht werden, und zwar um theoretisch 180°. In der Praxis wird der maximal mögliche Verstellbereich auf einen geringfügig geringeren Winkelbereich beschränkt (siehe 4a). Bei einer Verdrehung des Zentrierelementes 52 relativ zum Abstützelement 50 wird die Feder 58 vorgespannt. Daraus resultiert ein Rückstellmoment in die Mittelstellung. Dieses Rückstell moment ist ausreichend groß, um den Rotor 42 des Antriebsmotors 44 in seine Mittelstellung zu beaufschlagen, wenn es zu einer Störung in der Ansteuerung des Antriebsmotors kommt. Das Servolenkventil würde dann automatisch in seine korrekte Mittelstellung zurückgestellt, so daß keinerlei Beeinträchtigung des Betriebs spürbar wäre.
Das Untersetzungsverhältnis des Wellgetriebes ist so gewählt, daß zur Erzeugung der maximalen Verdrehung des ersten Endes des Torsionsstabes 24 relativ zur Eingangswelle 12 in der einen oder anderen Richtung jeweils eine Drehung des Rotors 42 des Antriebsmotors von etwas weniger als 180° notwendig ist. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus der Ausgestaltung der Zentriereinrichtung bestehend aus dem Abstützelement 50 und dem Zentrierelement 52. Aufgrund der hohen Untersetzungsverhältnisse, die mit Wellgetrieben mit nur einer Stufe möglich sind, läßt sich diese Anforderung in der Praxis problemlos erreichen.
In 5 ist schematisch eine zweite Ausführungsform gezeigt. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß das Wellgetriebe eine Verdrehung der Ventilhülse 22 relativ zur Ausgangswelle 16 hervorruft. Zu diesem Zweck ist der Außenring 34 mit der Ausgangswelle 16 gekoppelt, und der flexible Innenring 32 ist mit der Ventilhülse 22 gekoppelt. Diese Ausführungsform ermöglicht insbesondere, die vom Hydraulikventil bereitgestellte Servounterstützung zu beeinflussen.
Bei der zweiten Ausführungsform wird anstelle der Winkelstellung der Eingangswelle die Winkelstellung der Ausgangswelle 16 erfaßt und zusammen mit den vom Sensor 60 bereitgestellten Informationen über die Stellung des Rotors 42 von einer Steuereinheit ausgewertet.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann der Stator des Antriebsmotors nicht am Gehäuse abgestützt sein, sondern an der Eingangswelle bzw. an der Ausgangswelle. In diesem Fall müßte der Antriebsmotor über ein spiralförmig gewundenes Flachbandkabel elektrisch angeschlossen werden.

Claims

Servolenkventil für eine hydraulische Servolenkung, mit einer Eingangswelle (12), einer Ausgangswelle (16), einem Torsionsstab (24), der die Eingangswelle und die Ausgangswelle relativ zueinander in eine Mittelstellung beaufschlagt, und einem Ventil, das aus einer Ventilhülse (22) und einer Ventilwelle (20) besteht, die bei einer Verdrehung der Eingangwelle relativ zur Ausgangswelle relativ zueinander verdreht werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellantrieb (32, 34, 44) vorgesehen ist, der ein Bauteil (12, 24; 16, 22) des Servolenkventils gegenüber einen anderen verdrehen kann, so daß einer Eingangsgröße, die durch die Betätigung der Eingangswelle vorgegeben ist, eine Überlagerungsgröße überlagert wird.
Servolenkventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb ein Wellgetriebe („Harmonic Drive") mit einem Außenring (34), einem flexiblen Innenring (32) und einer Antriebsscheibe (40) aufweist.
Servolenkventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb das der Eingangswelle zugeordnete, erste Ende des Torsionsstabes (24) relativ zur Eingangswelle (12) verdrehen kann.
Servolenkventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswelle (12) mit der Ventilwelle (20) gekoppelt ist und die Ausgangswelle (16) mit der Ventilhülse (22) gekoppelt ist.
Servolenkventil nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellhülse (26) vorgesehen ist, die mit dem ersten Ende des Torsionsstabes (24) drehfest verbunden ist.
Servolenkventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende des Torsionsstabes (24) mit der Stellhülse (26) durch einen Stift (28) drehfest verbunden ist.
Servolenkventil nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellhülse (26) auf der Eingangswelle (12) aufgenommen ist.
Servolenkventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift durch Öffnungen (30) in der Eingangswelle (12) hindurchragt, deren Abmessungen in Umfangsrichtung größer sind als die Erstreckung des Stiftes (28), so daß die Öffnungen die Verdrehung der Stellhülse (26) und damit des ersten Endes des Torsionsstabes (14) relativ zur Eingangswelle (12) begrenzen.
Servolenkventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (34) mit der Eingangswelle (12) verbunden ist.
Servolenkventil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (32) mit der Stellhülse (26) verbunden ist.
Servolenkventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb die Ausgangswelle (16) relativ zur Ventilhülse (22) verdrehen kann, wobei die Ventilwelle (20) mit der Eingangswelle (12) gekoppelt ist.
Servolenkventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (34) mit der Ausgangswelle (16) verbunden ist.
Servolenkventil nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (32) mit der Ventilhülse (22) verbunden ist.
Servolenkventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb einen Antriebsmotor (44) aufweist.
Servolenkventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (44) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
Servolenkventil nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (44) einen Stator aufweist, der am Gehäuse (12) des Servolenkventils abgestützt ist.
Servolenkventil nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (44) einen Stator aufweist, der an der Eingangswelle (12) abgestützt ist.
Servolenkventil nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (44) einen Rotor (42) aufweist, der mit der Antriebsscheibe (40) des Wellgetriebes verbunden ist.
Servolenkventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentriereinrichtung (50, 52, 58) vorgesehen ist, die den Rotor (42) des Antriebsmotors (44) in eine Mittelstellung beaufschlagt.
Servolenkventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentriereinrichtung ein Zentrierelement (52) aufweist, das von einer Feder (58) gegen eine Kurvenfläche (60) beaufschlagt wird.
Servolenkventil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenfläche (60) einen „Tiefpunkt" (62) aufweist, welcher der Mittelstellung des Rotors (42) des Antriebsmotors (44) zugeordnet ist, von der aus in jeder Umfangsrichtung ein „höheres" Niveau erreicht werden kann.
Servolenkventil nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement (52) eine Hülse ist.
Servolenkventil nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement (52) drehfest, jedoch axial verschiebbar mit dem Rotor (42) gekoppelt ist.
Servolenkventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (60) vorgesehen ist, der die Position des Rotors (42) des Antriebsmotors erfaßt.
Servolenkventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lenkwinkelsensor vorgesehen ist, der die Position der Ausgangswelle (16) erfaßt.
Servolenkventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lenkwinkelsensor vorgesehen ist, der die Position der Eingangswelle (12) erfaßt.