DE3434495A1 - Servolenkeinrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 7032 Sindelfingen-Auf dem Goldberg-Weimarer Str. 32/34- Telefon 07031/86501

Telex 7265509 rose d 18. September 1984

JIDOSHA KIKI CO., LTD.

10-12, Yoyogi 2-chome, Shibuya-ku,

Tokyo, Japan

SERVOLENKEINRICHTUNG

Hintergrund der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Servolenkeinrichtung, die an jedem Fahrzeugtyp angebracht werden kann, um die von einem Fahrer aufzubringende Lenkkraft zu reduzieren.

Leicht zu betätigende Servolenkeinrichtungen sind seit kurzem weit verbreitet. Solch eine konventionelle Servolenkeinrichtung verwendet elektrische Energie aus einer Batterie. Die elektrische Energie speist einen Motor, der eine Ölpumpe antreibt. Komprimiertes Öl von der Ölpumpe wird dann einer Servolenkeinheit zugeführt, wodurch eine Lenkung mit geringer Kraft möglich ist. Hierbei sind jedoch die Mittel zum Beeinflussen der Ölflußrate kontrolliert durch die Motordrehzahl und zur Unterbindung eines Öl-Nebenflusses kompliziert, mit der Folge von hohen Kosten und geringer Zuverlässigkeit.

Um diese konventionellen Nachteile zu beheben, wird gemäß der Japanischen Patentanmeldung Nr. 55-47, 963 eine Servolenkeinrichtung vorgeschlagen, in der

eine Lenkeinheit direkt von einem Motor angetrieben wird. Da jedoch die Drehzahl des Motors hoch ist, kann dieser einer schnellen Änderung der Lenkrichtung nicht folgen. Im besonderen, wenn schnelle Drehungen eines Lenkrades für ein slalomähnliches Fahren erforderlich sind, kann die automatische Servolenkung keine zufriedenstellende Wirkung erbringen.

Eine andere konventionelle Servolenkeinrichtung ist in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 46-33, 327 vorgeschlagen, wonach eine elektromagnetische Kupplung, eingesetzt ist, mit zwei in gegensätzlichen Drehrichtungen angetriebenen Hauptantrieben, um jeweils einen der beiden Hauptantriebe mit dem Lenkmechanismus zu verbinden. Die Kupplung erzeugt jedoch ein großes Schleifgeräusch, welches den Fahrer irritiert und sie nutzt sich schnell ab, wodurch der Wartungsaufwand steigt und die Zuverlässigkeit sinkt.

In einer konventionellen Servolenkeinrichtung, welche kein Öl benutzt, muß die Lenkeinheit mit einem dem Lenkdrehmoment entsprechenden Betrag betrieben werden.Obgleich die Drehmomentmessung mit einem Dehnungsmesser bewirkt wird, hat der Drehnungsmesser eine geringe Zuverlässigkeit und geringe Empfindlichkeit. Daher ist der Dehnungsmesser nicht geeignet für eine Lenkeinrichtung eines Fahrzeugs, welche eine hohe Empfindlichkeit erfordert.

Zusammenfassung der Erfindung:

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die konventionellen Probleme zu lösen und eine Servolenkeinrichtung zu schaffen, welche eine Motor-Rotationskraft als direkte Lenkkraft verwendet.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den gattungsgemäßen Merkmalen

durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Kurze Beschreibung der Figuren:

Es zeigt:

Fig. 1 ein Übersichtsschema einer Servolenkeinrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Servolenkeinheit 3 in Fig. 1,

4 u. 5 Teilschnitte der Servolenkeinheit 3 gemäß der Schnittlinien TJI-III, ET-IZ und 3Γ-3Ζ" gemäß Fig. 2,

Fig. 6 ein Schaltschema des Reglers 4 aus Fig. 1, Fig. 7

- 10 Diagramme von Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 417 und und des Drehmomentdetektors 410 in einem Lenkzustand und ein Steuerungsdiagramm, welches das Ausgangssignal eines Fahrzeuggeschwindigkeits-Signalgenerators 430 darstellt, wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit ändert,

Fig. Heine Schnittansicht einer Servolenkeinheit 3 gemäß Fig. 1 entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung und

Fig. 12eine Schnittansicht der Servolenkeinheit 3 entlang der Schnittlinie Xn-Sn gemäß Fig. 11.

>
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele:

Die Fig. 1 zeigt eine Gesamtsystem-Anordnung einer Servolenkeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1

ein Lenkrad, 2 einen Drehmomentsensor, 3 eine Servolenkeinheit, 4 einen Regler, 5 ein Relais, 6 eine Lenkeinheit, 7 eine Batterie, 8 eine Lichtmaschine, 9 eine Maschine und 9a einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor.

Die Fig. 2 stellt eine Schnittansicht des Drehmomentsensors 2 und der Servolenkeinheit 3 dar. Die Figuren 3, 4 und 5 sind Schnittansichten davon gemäß der Schnittlinie HL-DI, EZ-E? und 2"-"ST. Mit Bezug auf die Figuren 2 bis 5 bezeichnen die Bezugszahlen 3a eine Eingangslenkwelle, 3b eine Ausgangslenkwelle, 3c einen Drehstab, 3d einen Drehanschlag. Eine Drehkraft des Lenkrades 1 wird auf die Eingangslenkwelle 3a übertragen. Eine Drehkraft der Ausgangslenkweile 3b wird zur Lenkeinheit 6 übertragen. Die beiden Enden des Drehstabes 3c sind mittels zweier Zapfen 3e mit der Eingangslenkwelle 3a bzw. Ausgangslenkwelle 3b verbunden. Wie die Fig. 5 zeigt, ist der Drehanschlag 3d so ausgebildet, daß die Eingangslenkwelle 3a nicht in Berührung steht mit der Ausgangslenkwelle 3b. Sie können zufolge des Drehstabes 3c innerhalb eines vorgegebenen Lenkwinkelbereichs relativ zueinander verdreht werden.Wenn jedoch der vorgegebene Lenkwinkelbereich überschritten wird, treffen die Vorsprünge der Eingangslenkwelle 3a und der Ausgangslenkwelle 3b aufeinander, so daß die Drehung einer der Lenkwellen auf die andere übertragen wird. Die Bezugszahl 3f bezeichnet einen Motor. Die Motorwelle 3g des Motors 3f steht von den beiden Enden des Motors ab und Zahnräder 3h bzw. 3i sind fest darauf montiert. Das Zahnrad 3h kämmt mit einem Zahnrad 3j, welches an der Eingangslenkwelle 3a angebracht ist und das Zahnrad 3i kämmt mit einem Zahnrad 3k, das an der Ausgangslenkwelle 3b fixiert ist. Der Motor 3f ist in einem Gehäuse 3p untergebracht und wird von Tragzapfen 3I und 3m gehalten. Der Tragzapfen 3I ist fest im Gehäuse 3p angebracht, während der Tragzapfen 3m in einem Schlitz 3n verschiebbar aufgenommen ist, wie die Figur 4 zeigt. Der Tragzapfen 3I

ist so am Gehäuse 3p befestigt, daß der Motor 3f geschwenkt werden kann. Die Bezugszahl 2a bezeichnet einen Schleifer, dessen eines Ende schwenkbar am Tragzapfen 3m gelagert ist und dessen anderes Ende frei ist, so daß es über ein Widerstandselement 2b schleifen kann. Im Schleifer 2a ist in der Nähe des Tragzapfens 3m eine Längsnut 2c eingeformt und ein Zapfen 3q, der im Gehäuse 3p fixiert ist, greift verschiebbar in diese Längsnut 2c ein. Eine Widerstandsänderung verursacht durch eine Verlagerung des Schleifers 2a auf dem Widerstandselement 2b wird zum Regler 4 gemäß Fig. 1 übertragen. Per Regler 4 verursacht den Motor 3f zu rotieren in Abhängigkeit der Änderung dieses Widerstandes. In der dargestellten Position, bei der die Eingangslenkwelle 3a gegenüber der Ausgangslenkwelle 3b nicht verdreht ist und der Schleifer 2a in der Mitte steht, wird der Motor 3f nicht aktiviert. Die Drehrichtung wird bestimmt durch die Richtung, in welche der Schleifer 2a zufolge einer Relativdrehung zwischen Eingangslenkwelle 3a und Ausgangslenkwelle 3b abgelenkt wird und das Drehmoment wird bestimmt durch den Betrag der Abweichung. Der Schleifer 2a und das Widerstandselement 2b bilden einen Drehmomentsensor 2.

Die Betriebsweise einer Servolenkeinrichtung mit den vorstehend beschriebenen Konstruktionsmerkmalen wird nachstehend näher erläutert. Wenn der Fahrer das Lenkrad 1 dreht, wird auch die Eingangslenkwelle 3a gedreht. Es sei angenommen, daß die Eingangslenkwelle 3a geringfügig gedreht wird (z. B. über einen Winkel von etwa 10°). Da sich das Zahnrad 3j mitdreht, wird es um den gleichen Winkel gedreht. Die Drehkraft des Zahnrades 3j wird über das Zahnrad 3h, die Motorwelle 3g und das Zahnrad 3i auf das Zahnrad 3k auf der Ausgangslenkwelle 3b übertragen, die die Lenkeinheit 6 antreibt. Demgemäß ist eine große Kraft erforderlich, um eine Drehung mit einem großen Drehmoment zu bewirken. Wenn eine an der Eingangslenkwelle 3a wirkende

Rotationskraft einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird der Drehstab 3c verwunden, ohne daß die Ausgangslenkwelle 3b und damit das Zahnrad 3k mitdrehen. Als Folge davon umkreist das Zahnrad 3h die Eingangslenkwelle 3a und daher wird der Motor 3f um seinen Tragzapfen 3I beispielsweise in Richtung des Pfeiles in Figur 4 verschwenkt.

Durch die Schwenkbewegung des Motors 3f wird der Schleifer 2a um seinen Zapfen 3q geschwenkt und er schleift dadurch über das Widerstandselement 2b und ein Widerstandsänderungssignal wird von ihm erzeugt. Wenn der Abstand zwischen dem Tragzapfen 3m und dem Zapfen 3q kleiner ist als der Abstand zwischen dem Zapfen 3q und dem Widerstandselement 2b, wird eine Verlagerung des Schleifers 2a verstärkt erfolgen im Vergleich mit einer Schwenkbewegung des Motors 3f.

Wenn das Widerstandsänderungssignal dem in Fig. 1 dargestellten Regler 4 zugeführt wird, veranlaßt dieser die Motorwelle 3g des Motors 3f zur Rotation mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Widerstandsänderung. Die Drehkraft der Zahnräder 3h und 3i wird auf das Zahnrad 3k übertragen, so daß die Ausgangslenkwelle 3b in der gleichen Richtung gedreht wird wie das Lenkrad 1. Die Drehkraft auf der Ausgangslenkwelle 3b wird zur Lenkeinheit 6 übertragen und das Fahrzeug kann der Drehung entsprechend einschlagen. In diesem Fall entspricht die zur Drehung des Lenkrades 1 erforderliche Kraft der Kraft, die notwendig ist, um den Motor 3f um seinen Tragzapfen 3I zu schwenken. Mit anderen Worten, lediglich eine Kraft zum Verwinden des Drehstabs 3c ist erforderlich. Die tatsächliche Lenkraft wird vom Drehmoment des Motors 3f aufgebracht.

Der Bewegungspfeil in Fig. 4 beruht auf einer Drehung der Eingangslenkwelle 3a

12 393 11

im Uhrzeigersinn bei einer Blickrichtung in Richtung der Wellenachse auf das Gehäuse 3p und die Rotation der Motorwelle 3g entspricht daher einer Drehbewegung im Gegenuhrzeigersinn. Wenn also der Motor 3f unter der Kontrolle des Reglers 4 im Gegenuhrzeigersinn angetrieben wird, rotiert das Zahnrad 3h in der gleichen Richtung. Inzwischen wird das Lenkrad 1 vom Fahrer festgehalten und so rotiert jetzt das Zahnrad 3j nicht, obwohl das Zahnrad 3h sich dreht. Demgemäß kreist das Zahnrad 3h bzw. die Motorwelle 3g im Gegenuhrzeigersinn um die jetzt feststehende Eingangslenkwelle 3a, so daß der Motor 3f aus der vorhin ausgeschwenkten Stellung um den Tragzapfen 3I zurückschwenkt. Der Schleifer 2a gelangt somit in die Fluchtlinie der Eingangslenkwelle 3a mit der Ausgangslenkwelle 3b (in der Ansicht der Fig. 4) und in dieser Abgriffstellung unterbricht der Regler 4 den Strom zum Motor 3f, so daß dieser anhält. Wenn der Fahrer weiterhin das Lenkrad 1 dreht, wird die Ausgangslenkwelle 3b in der gleichen Richtung wie das Lenkrad 1 so gedreht, daß eine Winkelabweichung kompensiert wird.

Wenn ein Fahrzeug mit einem gegebenen Lenkwinkel in einer gleichförmigen Kreisbahn oder ähnlichem bewegt wird, wird eine Reaktionskraft von den Rädern zum Lenkrad 1 übertragen. Diese Reaktionskraft veranlaßt die Ausgangslenkwelle 3b,eine Drehkraft auf die Zahnräder 3i und 3h zu übertragen. Da jedoch auch eine Kraft von dem vom Fahrer gehaltenen Lenkrad 1 auf die Eingangslenkwelle 3a ausgeübt wird, (dieses soll z. B. festgehalten werden) kann das Zahnrad 3j nicht drehen. Als Ergebnis wird der Drehstab 3c verwunden und das Zahnrad 3h kreist um das Zahnrad 3j. Aus diesem Grund erzeugt der Drehmomentsensor 2 ein Ausgangssignal und der Motor 3f erzeugt ein kontinuierliches Drehmoment, womit die Servolenkung fortgesetzt wird. Sobald der Fahrer die Kraft reduziert, um zu einem geraden Fahrkurs zu wechseln, wird dadurch die

Eingangslenkwelle 3a zurückgedreht und die noch unter dem Einfluß der Reaktionskraft der Räder stehende Ausgangslenkwelle 3b folgt dieser Drehung zurück zur Geradeausfahrt.

Die vorstehende Beschreibung bezog sich auf eine Fahrzeugdrehung nach rechts. Es versteht sich, daß die gleiche Operation in entsprechender Weise bei einer Linksdrehung abläuft. Im Falle, daß der Motor 3f oder der Regler 4 ausfallen sollten, kann die Drehkraft von der Eingangslenkwelle 3a über den Drehanschlag 3d (Fig. 5) auf die Ausgangslenkwelle 3b unmittelbar übertragen werden.

Eine maximale Drehgeschwindigkeit der Lenkwellen 3a und 3b liegt bei etwa 2 Umdrehungen pro Sekunde, und daher kann die Drehzahl des Motors 3f vier Umdrehungen pro Sekunde bzw. 240 Umdrehungen pro Minute betragen. Ein Reihenschlußmotor eignet sich, um ein hohes Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit zu erreichen. Dieser Motor erfordert keinen Dauermagnet zur Erzeugung des magnetischen Feldes. Der Rotor kann daher leicht im abgeschalteten Zustand rotieren. Wenn das Fahrzeug von einer Kurvenfahrt zur Geradeausfahrt wechselt, kann daher das Lenkrad leicht bewegt werden, wie bei konventionellen Servolenkeinrichtungen. Weiterhin, da die Geschwindigkeit des Motors 3f reduziert ist, kann der Motor schnellen und wiederholten Drehungen des Lenkrades folgen. Eine Ansprechverzögerung wie bei konventionellen Servolenkeinrichtungen, welche direkt von einem Motor angetrieben werden, tritt auch nicht bei slalomähnlichem Fahren auf. Weiterhin wird die Lenkraft bestimmt durch den Drehstab und den elektrischen Widerstand, mit der Folge einer hohen Zuverlässigkeit. Wenn ein kontaktfreier Typ eines Verlagerungsmessers anstelle des elektrischen Widerstandselementes 2b verwendet wird, kann eine noch höhere Zuverlässigkeit erreicht werden.

Die elektrische Schaltung der Servolenkeinrichtung gemäß Fig. 1 ist inFig. 6 dargestellt. Die gleichen Bezugszahlen wie in den Figuren 1 bis 4 bezeichnen die gleichen Teile in Figur 6. Mit Bezug auf Figur 6 besteht der Regler 4 aus einem Drehrichtungsdetektor 400 zum Erfassen der Drehrichtung der Eingangslenkwelle 3a, einem Drehmomentdetektor 410 zum Erfassen des Drehmoments zwischen der Ejngangslenkwelle 3a und der Ausgangslenkwelle 3b, einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Signalgenerator 430 zur Erzeugung eines Signales mit kleiner werdender Größe bei zunehmender Fahrgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Signals vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 9a und eine Motorsteuerschaltung zum Verarbeiten der Signale des Drehmomeritdetektors 410 und des Fahrzeuggeschwindigkeits-Signalgenerators 430 und zum Stoppen des Motors 3f, wenn keine Lenkhilfe erforderlich ist und zum Erhöhen des Drehmoments des Motors 3f, wenn das Lenkdrehmoment steigt oder die Fahrzeuggeschwindigkeit sinkt. Der Fahrzeuggeschwindigkeits-Signalgenerator 430 und die Motorsteuerschaltung bilden eine Drehmomentsteuerschaitung. Das Relais 5 bildet ein Mittel zur Kontrolle der Drehrichtung des Motors 3f in Abhängigkeit eines Ausgangssignales des Drehrichtungsdetektors 400.

Der Drehrichtungsdetektor 400 umfaßt Widerstände 401 bis 404, N&rgleichsschaltungen 406 und 407 und einen Transistor 408. Der Drehmomentdetektor umfaßt Widerstände 411 bis 416, Operationsverstärker 417 und 418, Dioden 419 und 420, eine Zener-Diode 421, einen Transistor 422 und Feldeffekttransistoren 423 und 424. Die Zener-Spannung der Zener-Diode 421 wird auf im wesentlichen 1/2 der Spannung V der Batterie 7 bestimmt. Der Fahrzeuggeschwindigkeits-Signalgenerator 430 umfaßt Widerstände 431 bis 434, einen Kondensator 435, einen Operationsverstärker 436 und einen Frequenz-Spannungskonverter 437, welcher eine Ausgangsspannung reduziert, wenn die Anzahl von Impulsen eines Eingangs-

343U95

signales ansteigt. Die Motorsteuerschaltung 440 enthält einen Widerstand 441, eine Vergleichsschaltung 442, einen Feldeffekttransistor 443 und Transistoren 444 und 445.

Die vorstehend beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Im Drehmomentsensor 2 befindet sich der Schleifer 2a auf der geerdeten Position, wenn die Batterie 7 über das Widerstandselement 2b angeschlossen ist und das Lenkrad 1 im Gegenuhrzeigersinn gedreht.ist. Wenn das Lenkrad 1 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wird der Schleifer 2a zur Spannungsseite bewegt. Wenn der Drehwinkel des Lenkrades 1 im Uhrzeigersinn als positiv bezeichnet wird, wird eine vom Schleifer 2a abgegriffene Spannung zu V/2 im nicht ausgelenkten Zustand des Lenkrades 1 , während die Spannung höher ist, wenn das Lenkrad nach rechts gedreht wird und niedriger ist, wenn das Lenkrad nach links gedreht wird, wie dies die Fig. 7 veranschaulicht.

Eine in Abhängigkeit eines gegebenen Lenkungszustandes erzeugte Spannung wird dem nicht invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 406 und dem invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 407 zugeführt. Die Widerstände 401 bis 404 sind so ausgewählt, daß die Vergleichsschaltungen 406 und 407 an ihren Ausgängen ein Signal von logisch "0" abgeben, wenn der nicht ausgelenkte Zustand vorliegt. Da die Spannung am Schleifer 2a bei einer Rechtsaussteuerung größer wird als im nichtausgesteuerten Zustand, wird die Spannung am nichtinvertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 406 höher als die an ihrem invertierenden Eingang anliegende Spannung, so daß die Vergleichsschaltung 406 ein logisches Signal "1" erzeugt. Bei Linksaussteurung wird die Spannung am invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 407 kleiner als an ihrem nichtinvertierenden Eingang, so daß die Vergleichsschaltung 407 das logische Signal "1" abgibt. Die Ausgangssignale der Vergleichsschaltungen 406 und 407 werden den

12 393 15

Feldeffekttransistoren 423 und 424 zugeführt. Der Feldeffekttransistor 424 wird ausgesteuert bei einer Rechtsaussteuerung und der Feldeffekttransistor 423 wird ausgesteuert bei einer Linksaussteuerung.

Die vom Schleifer 2a abgegriffene Spannung wird ebenfalls dem Drehmomentdetektor 410 zugeführt. Hier sind die Operationsverstärker 417 und 418 so eingestellt, daß sie Konstanten haben, um eine Spannung im Nichtaussteuerzustand von 1/2 der Betriebsspannung abzugeben. Der Operationsverstärker 417 erhöht seine Ausgangsspannung mit einem Anstieg der vom Schleifer 2a abgegriffenen Spannung, was gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Lenkdrehmomentes ist, wie dies mit der ausgezogenen Linie in Fig. 8 angegeben ist. Eine Kollektorspannung des Transistors 422 sinkt nach Maßgabe eines Anstieges der Basisspannung, das heißt, einem Anstieg des Lenkdrehmoments. In diesem Fall erzeugt der Operationsverstärker 418 eine mit dem Anstieg des Lenkdrehmoments abfallende Spannung, wie dies die strichpunktierte Linie in Fig. 8 veranschaulicht, so daß die Wirkung des Operationsverstärkers 417 nicht gestört wird. In diesem Fall gibt die Vergleichsschaltung 406 ein Signal logisch "1" ab, so daß der Feldeffekttransistor 424 eingeschattet ist, und eine Änderung der Kollektorspannung des Transistors 422 somit an die Motorsteuerschaltung 440 weitergeführt wird.

Bei einer Linksaussteuerung sinkt die vom Drehmomentsensor 2 abgegebene Spannung und daher steigt die vom Operationsverstärker 418 abgegebene Spannung gemäß der in Fig. 8 ausgezogenen Linie. Dementsprechend zeigt der Transistor 422 die in Fig. 9 veranschaulichte Charakteristik. Das Ausgangssignal des Transistors 422 wird in diesem Fall der Motorsteuerschaltung 440

über den Feldeffekttransistor 423 zugeführt.

Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 9a erzeugt ein Signal mit einer größeren Anzahl von wiederholenden Impulsen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit steigt. Der Frequenz-Spannungs-Konverter 437 erzeugt eine geringe Ausgangsspannung, wenn sich die Anzahl der Eingangsimpulse vermindert. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 436 erhält ein Signal, dessen Spannung steigt, in Abhängigkeit mit einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 436 hat eine dreieckförmige Wellenform mit einer hohen Amplitude, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gering ist. Wenn jedoch die Fahrzeuggeschwindigkeit steigt, hat die dreieckförmige Welle eine kleine Amplitude.

Dieses dreieckförmige Signal wird der Motorsteuerschaltung 440 zusammen mit dem Signal zugeführt, welches die in Fig. 9 dargestellte Charakteristik hat und welches vom Drehmomentdetektor 410 erzeugt wird. Der Feldeffekttransistor 443 wird gesperrt im Nichtsteuerzustand und die Motorsteuerschaltung 440 gibt dann kein Ausgangssignal ab. Als Folge wird auch der Motor 3f nicht aktiviert. Wenn eine Lenkbewegung mit kleinem Drehmoment stattfindet, ist die dem nichtinvertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 442 zugeführte Spannung groß, wie dies mit der strichpunktierten Linie a in Fig. 10 dargestellt ist. Die Vergleichsschaltung 442 erzeugt dann einen Impuls mit einem kleinen Arbeitsverhältnis. Wenn jedoch das Lenkdrehmoment groß wird, wird die dem nichtinvertierenden Eingang zugeführte Spannung klein, wie dies mit der strichpunktierten Linie b in Fig. 10 dargestellt ist. In diesem Fall erzeugt die Vergleichsschaltung 442 ein Signal mit einem hohen Arbeitsverhältnis. Wenn das Arbeitsverhältnis klein ist, d. h., wenn das Lenkdrehmoment kleinjist, wird der

Durchschnittswert der Ausgangssignale der Vergleichsschaltung 442 klein und das Drehmoment des Motors 3f wird klein. Zur gleichen Zeit ist die Lenkkraftverstärkung ebenfalls klein. Wenn jedoch das Lenkdrehmoment groß ist, wird auch das Drehmoment des Motors 3f groß und die Lenkkraftverstärkung ebenfalls groß. Sogar wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit variiert, während ein vorgegebenes Lenktjrehmoment anliegt, kann die vorhin beschriebene Wirkung erzielt werden. Das heißt mehr im einzelnen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit klein ist, wird das Drehmoment des Motors 3f größer. Wenn jedoch die Fahrzeuggeschwindigkeit groß ist, wird das Drehmoment des Motors 3f klein.

Die Drehrichtung des Motors 3f wird so festgelegt, daß der Motor 3f im Gegenuhrzeigersinn rotiert, bei einer Bewegung des Lenkrades 1 in der gleichen Richtung ( Linksaussteuerung ). Wenn das Lenkrad im Uhrzeigersinn gedreht wird, wird der Transistor 408 im Drehrichtungsdetektor 400 aufgesteuert und das Relais 5 erregt. In diesem Fall wird die Richtung des durch den Motor 3f fließenden Stromes umgekehrt und die Drehrichtung des Motors umgekehrt um eine Rechtsdrehung (Uhrzeigersinn) zu bewirken.

Die Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung durch eine Servolenkeinheit 10 und einen Drehmomentsensor 11 gemäß einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung.

In Fig. 11 bezeichnet die Bezugszahl 10a eine Eingangslenkwelle, 10b eine Ausgangslenkwelle, 10c einen Drehstab und 10d einen Drehanschlag.

Die Drehkraft des Lenkrades 1 wird der Eingangslenkwelle 10a zugeführt, und die Drehkraft der Ausgangslenkwelle 10b wird an die Lenkeinheit 6 weitergeleitet. Ein Ende des Drehstabs 10c ist über einen Zapfen 10e mit der Eingangslenkwelle 10a verbunden und dessen anderes Ende ist eingetrieben und eingesetzt in eine Ausnehmung der Ausgangslenkwelle 10b, so daß der Dreh-

stab 10c zusammen mit der Ausgangslenkwelle 10b rotiert. Das Bezugszeichen 10f bezeichnet einen Motor und 10g eine Motorwelle, an der ein Zahnrad 10h angebracht ist. Das Zahnrad 10h treibt über ein Zahnrad 10i ein Zahnrad 10j, welches mit der Ausgangslenkwelle 10b verbunden ist. Im Endbereich der Ausgangslenkwelle 10b, welcher an der Seite des Drehstabs liegt, ist ein Zahnrad 10k einstückig mit der Ausgangslenkwelle 10b ausgebildet. Das Zahnrad 10 k kämmt mit einem Zahnrad 101. Ein Teil des Zahnrads 101 an der Seite der Ausgangslenkwelle 10b ist drehbar in einer Ausnehmung des Gehäuses 10m aufgenommen. Ein Zahnrad 1On ist einstückig mit der Eingangslenkwelle 10a ausgebildet und kämmt mit einem Zahnrad 10o. Ein Endbereich des Zahnrads 10o, welches an der Seite des Zahnrades 101 liegt, ist mit dem Zahnrad 101 über eine Oldham-Kupplung 10p verbunden. Der andere Endbereich des Zahnrads 10o' ist drehbar in einer Ausnehmung eines beweglichen Elementes 10q aufgenommen. Ein Teil des beweglichen Elementes 10q, welcher nicht mit dem Zahnrad 10o verbunden ist, ragt von diesem weg. Ein konkav geformtes Sensorelement 11a ist am entfernten Ende davon angebracht. Ein Teil des beweglichen Elementes 10q, welcher mit dem Zahnrad 10o in Verbindung ist, ist drehbar in einer Tragplatte 1Or aufgenommen, die in Fig. 12 gezeigt ist, welche eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie XH-XH gemäß Fig. 11 darstellt. Die Tragplatte 10r ist schwenkbar an der Eingangslenkwelle 10a gehalten. Eine längliche Ausnehmung 10s ist im Gehäuse 10m in einer senkrecht zur Blattebene der Fig. 11 orientierten Richtung eingeformt, und das bewegliche Element 10q kann sich in der gleichen Richtung bewegen. Die Bezugszahl 11b bezeichnet ein Sensorelement, welches am Gehäuse 10m befestigt ist und in eine Ausnehmung des Sensorelementes 11a ragt. Die Sensorelemente 11a und 11b bilden den Drehmomentsensor 11.

343U95

12 393 19

Die Servolenkeinrichtung mit der vorstehenden Konstruktion arbeitet in der folgenden Weise: Wenn der Fahrer das Lenkrad 1 in der Rechtsrichtung dreht, wird die Eingangslenkwelle 10a gleichermaßen bei einer Blickrichtung nach vorne im Uhrzeigersinn gedreht. Eine Drehkraft von der Eingangslenkwelle 10a wird über die Zahnräder 10n, 10o und 101 zum Zahnrad 10k übertragen. Da das Zahnrad 10k die Lenkeinheit 6 über die Ausgangslenkwelle 10b antreibt, hat es eine große Last. Demnach wird der Drehstab 10c verwunden, wodurch ein relativer Drehversatz zwischen der Eingangslenkwelle 10a und der Ausgangslenkwelle 10b auftritt. Die Zahnräder 101 und 1Öo sind dem gleichen Drehversatz unterworfen wie die Lenkwellen 10a und 10b und gleiten entlang der Oldham-Kupplung 10p, wobei die Tragplatte 10r mit dem beweglichen Element 10q gleichermaßen wie das Zahnrad 10o in Fig. 12 nach rechts um die Eingangswelle 10a schwenkt. Der Drehmomentsensor 11 erzeugt ein elektrisches Signal entsprechend dem Versatz zwischen dem Sensorelement 11a und dem feststehenden Sensorelement 11b. Dieses Signal wird dem Regler 4 zugeführt und veranlaßt den Motor 10f, nach Maßgabe des Sensorausgangs zu rotieren. In diesem Fall ist der Motor 10f so ausgelegt, daß er im gleichen Drehsinn wie die Eingangslenkwelle 10a rotiert. Seine Drehkraft, wird von der Motorwelle 10g über das Zahnrad 10h und über das Zahnrad 10i auf das Zahnrad 10j der Ausgangslenkwelle 10b übertragen, so daß diese ebenfalls in der gleichen Richtung angetrieben wird. Demgemäß bewirkt die Ausgangslenkwelle 10b bei einer Rechtsdrehung des Lenkrades 1 einen Lenkausschalg der Räder des Fahrzeuges für eine Rechtskurve. Wenn die Ausgangslenkwelle 10b zufolge einer Reaktionskraft von den Rädern im Uhrzeigersinn gedreht wird (mit Blickrichtung nach vorne), wird auch das Zahnrad 10k, welches damit einstückig ausgeführt ist, gleichfalls im Uhrzeigersinn gedreht. Die Drehkraft des Zahnrades 10k

12 393 20 34 344

wird über die Oldham-Kupplung 10p zum Zahnrad 10o übertragen und dieses kämmt mit dem Zahnrad 1On, welches zusammen mit der Eingangslenkwelle 10a rotiert. Da die Eingangslenkwelle 10a zufolge einer auf das Lenkrad 1 wirkenden Kraft festgehalten wird, kann das Zahnrad 10n nicht rotieren trotz der Drehkraft, die vom Zahnrad 1Oo übertragen wird. Stattdessen rollt das Zahnrad 10o am feststehenden Umfang des Zahnrads 1On ab, und zwar in diesem Beispiel im Gegenuhrzeigersinn.

Wenn die Achse des Zahnrades 101 fluchtet mit der des Zahnrades 10o, befindet sich das Sensorelement 11a in der Ausgangsposition und der Drehmomentsensor 11 erzeugt kein Signal. Folglich wird der Motor 10f gestoppt und die entsprechenden verbundenen Zahnräder gleichermaßen.

Wenn das Fahrzeug vollständig gedreht wurde und die auf das Lenkrad 1 wirkende Kraft zurückgenommen wird, verschwindet auch die am Zahnrad 10n wirkende Kraft. Die Ausgangslenkwelle 10b dreht im Gegenuhrzeigersinn aufgrund der Reaktionskraft, welche von der Lenkeinehit 6 übertragen wird. Das Zahnrad 101 dreht sich im Uhrzeigersinn. In diesem Falle, da die Achse des Zahnrads 101 mit der des Zahnrades 10o ausgerichtet ist, rotieren die beiden Zahnräder in der gleichen Richtung. Als Ergebnis rotiert auch die Eingangslenkwelle 10a im Gegenuhrzeigersinn {da sie nicht festgehalten wird) und das Lenkrad 1 kehrt in die Ausgangsposition zurück.

Wenn das Lenkrad 1 vom Fahrer aus gesehen im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, wird eine Linkskurve in derselben vorhin beschriebenen Weise ausgeführt. Die elektrische Schaltung für dieses zweite Ausführungsbeispiel ist im wesent-

lichen die gleiche, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß
der Drehmomentsensor 11, jetzt ein kontaktfreier Typ ist.

Gemäß der Servolenkeinriehtung der vorstehend beschriebenen Erfindung wird der Motor nach Maßgabe des Ausgangssignales des Drehmomentsensors angetrieben und die Lenkeinheit wird durch die Drehkraft des Motors betätigt. Im Gegensatz zu konventionellen Servolenkeinrichtungen wird kein Öl gebraucht, wodurch die Konstruktion vereinfacht und der Leistungsverbrauch reduziert
wird. In konventionellen Servolenkeinrichtungen kann die Motorumdrehung den schnellen Drehungen des Lenkrades nicht angemessen folgen, ein großes
Schleifgeräusch wird erzeugt und die Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit auf Lenkdrehmomenterfassung ist herabgesetzt. Die Servolenkeinriehtung der vorliegenden Erfindung jedoch löst alle diese konventionellen Probleme.

* a.

- Leerseite -

Claims (7)

«* A PATENTANWALT D I Ρ·ίΚ·-4·Ν G .-- U-LRIOH "KINKELIN Sindelfingen-Auf dem Goldberg-Weimarer Str. 32/34- Telefon 07031/86501 3 4 3 4 4 9b Te!ex 7265509 rose d 12 393 18. September 1984 PATENTANSPRÜCHE:

1. Servolenkeinrichtung zur Ausführung einer Lenkunterstützung durch die Drehung eines Motors nach Maßgabe eines Lenkdrehmoments zwischen einer Eingangslenkwelle und einer Ausgangslenkwelle und zum Antreiben einer Lenkeinheit,

dadurch gekennzeichnet, daß; sie aufweist:

einen Drehmomentsensor (2, 11) zum Erzeugen eines elektrischen Signals entsprechend der Verlagerung eines beweglichen Elements (2a, 11a), welches durch eine Drehkraft zwischen Eingangslenkwelle (3a, 10a) und Ausgangslenkwelle (3b, 10b) verlagert wird;

ein Bewegungsmittel (3g, 3h; 10g, 10h), angetrieben durch den Motor (3f, 1Of), um die Verlagerung des beweglichen Elementes (2a, 11a) aufzuheben und

einen Regler (4) zum Ansteuern des Motors (3f, 10f) mit einem Drehmoment, welches durch das elektrische Signal vom Drehmomentsensor (2, 11) während dessen EIN-Zeit repräsentiert wird, wobei der Regler umfaßt: einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Signalgenerator (430) zur Erfassung der Fahrzeuggeschw indi gkeit,

einen Drehrichtungsdetektor (400) und einen Drehmomentdetektor (410) zur Erfassung der Drehrichtung und des Drehmomentes zwischen der Eingangs- und Ausgangslenkwelle (3a, 3b; 10a, 10b) nach Maßgabe des elektrischen Signals vom Drehmomentsensor (2, 11), ein Richtungskontroljmittel (5) zum Steuern der Drehrichtung des Motors (3f, 10f) nach Maßgabe einer erfaßten Drehrichtung, ein Drehmomentkontrollmittel (440) zum Reduzieren des Drehmomentes

des Motors (3f, 1Of) gemäß der erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn diese steigt und zum Erhöhen des Drehmomentes in Abhängigkeit der erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn das erfaßte Drehmoment steigt.

2. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (3f, 1Of) als Gleichstrom-Reihenschlußmotor ausgebildet ist.

3. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (3f) von zumindest zwei Tragzapfen (3I, 3m) in einem Gehäuse (3p) gehalten ist, wobei die Haltestruktur von Gehäuse und Tragzapfen so ausgelegt ist, daß einer der Tragzapfen (3m) um den bzw. die übrigen Tragzapfen (3I) schwenken kann, daß die Eingangslenkwelle (3a) und die Ausgangslenkwelle (3b) Bereiche aufweisen, die durch einen Drehstab (3c) sowie durch Zahnräder (3h, 3i) an gegenüberliegenden Enden einer Motorwelle (3g) des Motors (3f) gekoppelt sind,

und daß der Drehmomentsensor (2) das elektrische Signal entsprechend der Verlagerung und der Auslenkrichtung des einen beweglichen Tragzapfens (3m) erzeugt.

4. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Drehmomentsensor (2) ein Widerstandselement (2b) und einen darauf verschiebbaren Schleifer (2a) als bewegliches Element aufweist, dessen eines Ende mit dem beweglichen Tragzapfen (3m) verbunden ist und daß an den beiden Enden des Widerstandselementes (2b) eine vorgegebene Potentialdifferenz anliegt und der Schleifer (2a) normalerweise an einer im wesentlichen zentralen Steile des Widerstandselementes liegt,

393 3

wobei die Drehrichtung und das Drehmoment erfaßt werden nach Maßgabe einer Änderung der Potentialdifferenz zwischen dem Schleifer (2a) und einem der beiden Enden des Widerstandselementes.

5. Servo lenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

der Drehrichtungsdetektor (400) die Drehrichtung nach der Maßgabe erfaßt, ob die Potentiaidifferenz zwischen dem Schleifer (2a) und einem Ende E. des Widerstandselementes (2b) höher oder kleiner ist als ein erster

Referenzwert (V/2) und daß der Drehmomentdetektor (410) das Drehmoment nach der Differenz zwischen der Potentialdifferenz von Schleifer (2a) und einem Ende des Widerstandselementes (2b) und einem zweiten Referenzwert (V/2) erfaßt.

6. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Eingangslenkwelle (10a) und die Ausgangslenkwelle (10b) durch einen Drehstab (10c) gekuppelte Bereiche aufweisen, der Drehmomentsensor (11) ein bewegliches Element (11a) aufweist, welches bei einer Verdrehung der mit dem Drehstab (10c) verbundenen Eingangslenkwelle (10a) verlagert wird,

der Motor (10f) mit der mit dem Drehstab (10c) verbundenen Ausgangslenkwelle (10b) gekoppelt ist und

der Motor Drehmoment-Änderungsmittel hat, welche eine Oldham-Kupplung (10p) umfassen, deren eines Ende über ein Zahnrad (101) mit der Ausgangslenkwelle (10b) und deren anderes Ende mit dem beweglichen Element (11a) gekoppelt ist.

7. Servo lenkeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichent, daß

das bewegliche Element (11a) bewegt wird bei einer Drehung der Eingangslenkwelle (10a) und daß die Winkelverlagerung des beweglichen Elementes (11a) als elektrisches Signal durch einen optischen Sensor (11b) erfaßt wird.