DE102008042213A1

DE102008042213A1 - Elektromagnetische Servoeinheit

Info

Publication number: DE102008042213A1
Application number: DE102008042213A
Authority: DE
Inventors: Sascha Friederichs
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Servoeinheit (1) für ein Fahrzeug zwischen einer Eingangswelle (2), die mit einer Lenkhandhabe (3) wirkverbunden ist und einer Ausgangswelle (4), die mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist, wobei ein elektrischer Servomotor (5) über ein Untersetzungsgetriebe (6) auf die Ausgangswelle (4) wirkt und mit einem Drehmomentsensor (7) zur Ermittlung eines Drehmoments in der Eingangswelle (2) und mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die nach Maßgabe des Drehmomentsensors (7) den elektrischen Servomotor (5) ansteuert. Um eine einfache und mit geringen Ansprüchen an Bauraum versehene elektrische Hilfskraftlenkung zu schaffen, ist vorgesehen, dass die Ausgangswelle (4) und die Eingangswelle (2) zumindest formschlüssig oder stoffschlüssig drehfest miteinander verbunden sind, und die Eingangswelle (2) einen drehelastischen Bereich (8) aufweist, dessen Verdrehung von dem Drehmomentsensor (7) gemessen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Servoeinheit für ein Fahrzeug zwischen einer Eingangswelle, die mit einer Lenkhandhabe wirkverbunden ist und einer Ausgangswelle, die mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 35 22 300 C2 beschreibt eine elektromagnetische Servoeinheit für ein Fahrzeug zwischen einer Eingangswelle die mit einer Lenkhandhabe drehfest verbunden ist und einer Ausgangswelle, die mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist. Eine Kupplung ist zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle angeordnet. Ein als Gleichstrommaschine gebildeter, elektrischer Servomotor wirkt über ein als zweistufiges Planetenradgetriebe gebildetes Untersetzungsgetriebe auf die Ausgangswelle. Die Eingangswelle und die Ausgangswelle greifen unter Zwischenlage eines elastischen Elements ineinander, sodaß eine gewisse Relativverdrehung der Wellen erfolgen kann. Zudem ist in diesem Bereich eine Schleifringanordnung vorgesehen. Mit der Schleifringanordnung wirkt ein Paar von statischen Kontaktbürsten zusammen, die auf die Anordnung gedrückt werden, sodaß sie einen Gleitkontakt mit Kontaktbahnen herstellen. Die Kontaktbürsten, welche auf die Schleifringanordnung an der Ausgangswelle drücken, sind wesentliche Steuerelemente eines Steuerkreises für den Servomotor, da diese mit dem Kommutator des Servomotors verbunden sind. Wird eine vorgegebene Verdrehung der Eingangswelle zu der Ausgangswelle überschritten, so wirkt der Servomotor auf das Untersetzungsgetriebe und stellt eine Lenkhilfskraft zur Verfügung.
Die Schleifringanordnung ist einem stetigen Verschleiß ausgesetzt. Zudem ist es bei der elektromagnetischen Servoeinheit nicht möglich das von dem Servomotor abgegebene Moment in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrsituation oder Fahrgeschwindigkeit zu beeinflussen.
Die Eingangswelle und Ausgangswelle sind über eine Kupplung so verbunden, dass bei einem Ausfall des Servomotors ein sicherer Betrieb der Servolenkung nicht gewährleistet ist. Zudem baut das Untersetzungsgetriebe komplex.
Die DE 103 42 681 B3 beschreibt eine Überlagerungslenkung für ein Fahrzeug mit variablem Übersetzungsverhältnis und einem elektrischen Hilfsantrieb, wobei eine Übersetzungsverhältnisänderungseinrichtung einen Stator und einen Rotor aufweisenden Hilfsantrieb enthält, der die Steuereingriffe eines Fahrers über eine Lenkhandhabe überlagert und auf die Lenkbewegung der Räder überträgt und ein Gehäuse, eine von der Lenkhandhabe antreibbare Antriebseinheit und ein mit den gelenkten Rädern verbundenes Abriebselement sowie mindestens zwei Umlaufgetriebe aufweist. Ein Umlaufgetriebe ist durch den Rotor eines Elektromotors antreibbar, wobei ein Lenkmoment an der Lenkhandhabe durch das Antriebsmoment des Elektromotors überlagert wird und gemeinsam als Abriebsmoment an lenkbaren Rädern des Fahrzeugs geführt ist.
Das Verhältnis der Drehzahlen der Antriebseinheit aus Servomotor und Untersetzungsgetriebe und eines Abtriebselements ist einstellbar.
Die Drehbewegung der Lenkhandhabe kann mittels einer Kupplung direkt auf das Abtriebselement weitergeleitet werden, wobei der elektrische Hilfsantrieb abgetrennt wird. In dem Überlagerungslenksteller ist kein Sensor für die Messung des an der Lenkhandhabe anliegenden Lenkmoments integriert. Wenn die angegebene Lenkung als Überlagerungslenkung verwendet wird, dann ist keine direkte mechanische Verbindung zwischen der Lenkhandhabe und dem Lenkgetriebe gewährleistet. Es müssen gesteigerte Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um bei dem verwendeten Getriebe für ein sicheres Verhalten im Fehlerfall zu sorgen. Zudem ist die Überlagerungslenkung aufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und mit geringen Ansprüchen an Bauraum versehene elektrische Hilfskraftlenkung anzugeben.
Die Aufgabe wird mit einer elektromagnetischen Servoeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch dass die Ausgangswelle und die Eingangswelle der elektromagnetischen Servoeinheit drehfest, ohne kraftschlüssige Kupplung entweder formschlüssig oder stoffschlüssig oder vorzugsweise einstückig miteinander verbunden sind und dass die Eingangswelle einen drehelastischen Bereich aufweist, dessen Verdrehung bei Betätigung einer damit verbundenen Lenkhandhabe von einem Drehmomentsensor gemessen wird, ist eine einfach und kompakt bauende und bei einem Ausfall des Servomotors oder dessen Steuerung sichere Hilfskraftlenkung geschaffen.
Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als robuste Bauart eines Untersetzungsgetriebes für die Servoeinheit eignet sich ein Planetenradgetriebe. Die elektromagnetische Servoeinheit ist bevorzugt an einer Lenkwelle anordenbar oder die Lenkwelle ist durch sie axial hindurchführbar, wobei die Eingangswelle und die Ausgangswelle Teil der Lenkwelle zwischen Lenkhandhabe und Lenkgetriebe sind. Das Planetenradgetriebe kann mehrere Stufen aufweisen und somit eine hohe Übersetzung ins Langsame ermöglichen.
Der Drehmomentsensor im axialen Bereich der Eingangswelle, welcher drehelastisch gebildet ist, weist vorzugsweise zwei Träger oder Paare von Trägern von Spuren magnetischer Nord- und Südpole auf, die an beabstandeten Enden des drehelastischen Bereichs quer zur Längsachse der Eingangswelle an dieser festgelegt sind.
Die magnetischen Nord- und Südpole eines jeden Trägers werden von je einem Sensorelement detektiert, wobei die beiden Sensorelemente mit einer Auswerteeinrichtung signalübertragend verbunden sind. Auf diese Weise kann sofort nach Inbetriebnahme des Drehmomentsensors das erste Bogensegment und das zweite Bogensegment eines betreffenden Trägers unterschieden wenden und jeweils die genauen Drehwinkel der Enden des drehelastischen Bereichs der Eingangswelle bestimmt werden.
Die Sensorelemente sind bevorzugt als magnetoresistive Sensorelemente mit einer Halb- oder Vollbrücke gebildet. Der Einsatz von Hallsonden kann ebenso zweckmäßig sein. Für jeden magnetischen Pol einer Spur sind vier Korrekturparameter vorgesehen.
Die elektromagnetische Servoeinheit kann zentral von der Lenkwelle durchragt sein, wobei der Servomotor als Hohlwellenmotor gebildet ist, wobei eine Abtriebswelle des Servomotors und ein Hohlrad oder Planetenradträger des Untersetzungsgetriebes drehfest verbunden ist. Es kann zweckmäßig sein, den Servomotor als pulsweiten-gesteuerten Gleichstrommotor zu bilden.
Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektromagnetische Servoeinheit.
In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine elektromagnetische Servoeinheit 1 für einen Personenkraftwagen gezeigt. Sie ist in einer teilweise dargestellten Lenkwelle 10 zentral angeordnet, wodurch auch bei Ausfall eines Servomotors 5 der Servoeinheit 1 ein rein mechanisches Lenken des Personenkraftwagens ermöglicht ist.
Die Lenkwelle 10 ist in einem vorderen Gehäuseteil 22 eines Gehäuses 23 für die Servoeinheit 1 mit einem Wälzlager 24 und in einem hinteren Gehäuseteil 26 durch ein weiteres Wälzlager 25 gelagert. Sie ist in eine Eingangswelle 2, die drehfest mit einer Lenkhandhabe 3 verbunden ist und in eine Ausgangswelle 4 unterschieden. Die Ausgangswelle 4 ist mit einem nicht gezeigten Lenkgetriebe wirkverbunden und drehfest mit einem Hohlrad 21 eines in dem vorderen Gehäuseteil 22 untergebrachten Untersetzungsgetriebe 6 verbunden. Das Untersetzungsgetriebe 6 ist als Planetenradgetriebe 9 gebildet und mit drei Planetenrädern 27 die drehbar an einem Gehäusezwischenring 28 festgelegt sind, versehen. Über die Planetenräder 27 erfolgt die Drehmoment/Drehzahlübertragung einer Abtriebswelle 20 mit Sonnenrad 29 des Servomotors 5. Der Servomotor 5 ist als Hohlwellenmotor 19 gebildet und im mittleren Gehäuseteil 30 festgelegt. Damit ein Rotor 32 des Servomotors 5 mit einer ungleichen Drehzahl wie die Lenkwelle 10 drehen kann, ist er auf dieser mit Wälzlagern 33 und 34 gelagert. Der mittlere Gehäuseteil 30 wird von dem hinteren Gehäuseteil 26 durch einen Zwischenring 35 getrennt, wobei an dem Zwischenring 35 ein Rotorlagesensor 36 festgelegt ist.
Im hinteren Gehäuseteil 26 ist ein Drehmomentsensor 7 untergebracht. Dieser wird zur Ermittlung eines Diffenzdrehmoments zwischen der Eingangswelle 2 und der Ausgangswelle 4 verwandt. Die Eingangswelle 2 weist einen eingeschnürten drehelastischen Bereich 8 in der Art eines Torsionsstabes auf, mit der diese einstückig mit der Ausgangswelle gebildet ist. Liegt an der Lenkhandhabe 3 ein Lenkmoment an, so verdreht sich der drehelastische Bereich 8. Quer zur Längsachse 15 der Eingangswelle 2 ist ein erster Träger 11 oder Geberrad 17 einer Spur von magnetischen Nord- und Südpolen an einem Ende 13 des drehelastischen Bereichs 8 angeordnet.
Beabstandet zu diesem Ende des ersten Trägers ist an einem anderen Ende 14 des drehelastischen Bereichs 8 ein zweiter Träger 12 oder Geberrad 18 an der Eingangswelle 2 festgelegt. Ein nicht gezeigtes Untersetzungsgetriebe sorgt dafür, dass bei einem Vollausschlag der Lenkhandhabe 3 der erste und zweite Träger höchstens um eine volle Umdrehung gedreht werden.
Der unterschiedliche Winkel der Geberräder wird von einem Sensorelement 16 gemessen und über eine Auswerteeinrichtung ein elektrisches Signal für den Servomotor 5 erzeugt, wodurch dieser eine Lenkhilfskraft auf das Planetenradgetriebe 9 im Sinne einer Lenkunterstützung des Fahrers erzeugt.

1: Elektromagnetische Servoeinheit
2: Eingangswelle
3: Lenkhandhabe
4: Ausgangswelle
5: Servomotor, elektrisch
6: Untersetzungsgetriebe
7: Drehmomentsensor
8: Bereich, drehelastisch
9: Planetenradgetriebe
10: Lenkwelle
11: Träger, erster
12: Träger, zweiter
13: Ende, v. 8
14: Ende, v. 8
15: Längsachse, v. 2
16: Sensorelement
17: Geberrad
18: Geberrad
19: Hohlwellenmotor
20: Abtriebswelle
21: Hohlrad
22: Gehäuseteil, vorderes
23: Gehäuse
24: Wälzlager
25: Wälzlager
26: Gehäuseteil, hinteres
27: Planetenrad
28: Gehäusezwischenring
29: Sonnenrad
30: Gehäuseteil, mittlerer
31: Ständerwicklung
32: Rotor
33: Wälzlager
34: Wälzlager
35: Zwischenring
36: Rotorlagesensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3522300 C2 [0002]
- DE 10342681 B3 [0005]

Claims

Elektromagnetische Servoeinheit für ein Fahrzeug zwischen einer Einganswelle (2), die mit einer Lenkhandhabe (3) wirkverbunden ist und einer Ausgangswelle (4), die mit lenkbaren Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist, wobei ein elektrischer Servomotor (5) über ein Untersetzungsgetriebe (6) auf die Ausgangswelle (4) wirkt und mit einem Drehmomentsensor (7) zur Ermittlung eines Drehmoments in der Eingangswelle (2) und mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die nach Maßgabe des Drehmomentsensors (7) den elektrischen Servomotor (5) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (4) und die Eingangswelle (2) zumindest formschlüssig oder stoffschlüssig drehfest miteinander verbunden sind und die Eingangswelle (2) einen drehelastischen Bereich (8) aufweist, dessen Verdrehung von dem Drehmomentsensor (7) gemessen ist.
Elektromagnetische Servoeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (4) und die Eingangswelle (2) einstückig gebildet sind.
Elektromagnetische Servoeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Unersetzungsgetriebe (6) ein Planetenradgetriebe (9) ist.
Elektromagnetische Servoeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (2) und die Ausgangswelle (4) Teil einer Lenkwelle (10) sind.
Elektromagnetische Servoeinheit nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenradgetriebe (9) ein- oder mehrstufig ist.
Elektromagnetische Servoeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (7) aus einem ersten Träger (11) mit einer Spur magnetischer Nord- und Südpolen und aus einem zweiten Träger (12) einer Spur von magnetischen Nord- und Südpolen gebildet ist, wobei die Träger (11, 12) an beabstandeten axialen Enden (13, 14) des drehelastischen Bereichs (8) und einer Auswerteinrichtung detektiert sind.
Elektromagnetische Servoeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (11, 12) von Spuren magnetischer Nord- und Südpole scheiben- oder ringförmige Geberräder (17, 18) sind.
Elektromagnetische Servoeinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur an magnetischen Nord- und Südpolen des ersten Trägers (11) oder Geberrades (17) eine von der Spur des zweiten Trägers (12) oder Geberrades (18) unterschiedliche Anzahl an Nord- und Südpolen aufweist.
Elektromagnetische Servoeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass der elektrische Servomotor (5) ein Hohlwellenmotor (19) ist.
Elektromagnetische Servoeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass der elektrische Servomotor (5) eine pulsweitengesteuerte Synchronmaschine oder Asynchronmaschine ist.
Elektromagnetische Servoeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (20) des elektrischen Servomotors (5) mit einem Hohlrad (21) oder Träger von Planetenrädern des Untersetzungsgetriebes (6) drehfest verbunden ist.