DE3522268A1

DE3522268A1 - Elektromagnetische servoeinheit

Info

Publication number: DE3522268A1
Application number: DE19853522268
Authority: DE
Inventors: Yasuo Shimizu
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1986-01-02
Also published as: GB2161030B; CA1253558A; GB2161030A; GB8515807D0; FR2566550A1; US4743817A; DE3522268C2

Description

A -

Elektromagnetische Servoeinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Servoeinheit. Insbesondere betrifft die Erfindung eine elektromagnetische Servoeinheit einer Art, bei welcher ein Eingangsdrehmoment zur Ausgabe elektromagnetisch servogesteuert wird.

Die meisten konventionellen Servosysteme, exemplarisch jene, die bei Servolenksystemen von Fahrzeugen angewendet werden, sind hauptsächlich durch die Anwendung eines hydraulischen Mechanismus konstituiert.

Ein solches konventionelles hydraulisches Servosystem, das auf ein Servolenksystem für Fahrzeuge angewendet wird, umfaßt eine Einrichtung, in welcher Hydrauliköl aus einer Hydraulikpumpe unter Druck in eine Servobetätigungseinrichtung geschickt wird, beispielsweise einen hydraulischen Arbeitszylinder oder hydraulischen Servomotor zur Servosteuerung des Eingangsdrehmoments von einem Lenkrad, um eine gesteuerte Ausgabe für ein zu betätigendes Betätigungselement zu erzeugen,in Übereinstimmung mit einem Betriebszustand des Lenkrades.

In einem solchen hydraulischen Servosystem treten jedoch Probleme auf, beispielsweise das Problem, daß eine Hydraulikpumpe normalerweise in Betrieb gesetzt ist, unabhängig davon, ob von einem Lenkrad eine effektive Eingabe gegeben wird oder nicht, wodurch unnütz Energie verbraucht wird, oder das Problem, daß nicht wenige Komponenten verwendet werden müssen, beispielsweise eine Betätigungseinrichtung, eine Hydraulikpumpe, ein Steuerventil und ein

Ölreservoir, die als Ganzes einen relativ großen Raum einnehmen, wodurch Schwierigkeiten entstehen, beispielsweise wenn versucht wird, eine kompakte, leichtgewichtige Konstruktion und Kostenersparnis zu erhalten. 5

Zur Überwindung solcher Probleme eines hydraulischen Servosystems sind schon eine Anzahl von elektromagnetischen Servosystemen vorgeschlagen worden. Beispielswei se wird nach der US-PS 27 45 465 ein elektromagnetisches Servosystem auf ein Servolenksystem für Fahrzeuge angewendet. Gemäß dieser Patentschrift umfaßt das elektromagnetische Servosystem einen Gleichstrommotor, der koaxial zu einer Lenkwelle zwischen einem Lenkrad als ein Eingabeglied des Servolenksystems und einem Zahnrad als einem Ausgabeglied dieses Systems angeordnet ist, und an der Lenkwelle ist ein Drehmomentsensor vom Typ eines wohlbekannten Dehnungsmessers angebracht, wobei der Drehmomentsensor das von dem Lenkrad auf die Lenkwelle ausgeübte Drehmoment erfaßt und dadurch den Gleichstrommotor steuert.

Obwohl die herkömmlichen Probleme, welche das hydraulische Servosystem begleiten, bis zu einem gewissen Grad effektiv gelöst worden sind, ist das elektromagnetische Servosystem nach dem genannten Patent, bei welchem der Drehmomentsensor vom Typ eines Dehnungs- oder Längungsmessers nicht ausreichend mit Schutzmaßnahmen versehen ist, empfindlich gegen Störungen, wie beispielsweise Staub, Feuchtigkeit und externe Kräfte.

Außerdem ist bei diesem elektromagnetischen Servosystem sowohl der Drehmomentsensor vom Dehnungsmessertyp als auch ein Grenzschalter zum Erfassen der axialen Bewegungsgrenze einer Eingabewelle des elektromagnetischen Servosystems, die an dessen Lenkradseite so befestigt

ist, daß sie selbst axial verschiebbar ist, notwendigerweise auf der Fahrzeugkörperseite als der Seite eines stationären Gliedes angeordnet, und außerdem ist in einer im Hinblick auf den Gleichstrommotor getrennten Weise ein Verstärker mit einer Leistungseinheit vorgesehen, der Signale aus dem Drehmomentsensor und dem Grenzschalter zur Steuerung des Ausgangsdrehmoments des Gleichstrommotors empfängt. Eine Folge davon ist, daß das ganze System kompliziert ist. Weiter ist ein Betriebssteuerschaltkreis des Gleichstrommotors selbst beträchtlich kompliziert.

Darüber hinaus haben bei diesem Servosystem, bei welchem die Eingabewelle, wie schon erwähnt, so ausgebildet ist, daß sie axial verschiebbar ist, ein die Eingabewelle enthaltender Antriebsabschnitt, ein Abtriebsabschnitt und der Gleichstrommotor eine während des Betriebs variable Längsabmessung, wodurch zusätzlich ein komplizierter Befestigungsmechanismus vorzusehen ist, wenn das Servosystem auf einem gewissen Mechanismus oder ein gewisses System, beispielsweise ein Servolenksystem für Fahrzeuge, angwendet wird.

Andererseits ist später ein anderes elektromagnetisches Servosystem in der JP-OS 58-141963 vorgeschlagen worden.

Dieses elektromagnetische Servosystem ist auf ein Servolenksystem für Fahrzeuge angewendet, enthält einen koaxial zu einer Zahnradwelle des Servolenksystems vom Zahnstangen/Zahnradtyp angeordneten Elektromotor, um der Zahnradwelle ein zusätzliches Drehmoment zu erteilen.

Dieses Servosystem hat ebenfalls die vorstehend erwähnten konventionellen Probleme des hydraulischen Servosystems bis zu einem gewissen Grad effektiv gelöst.

Jedoch sind auch bei dem elektromagnetischen Servosystem nach dieser japanischen Offenlegungsschrift separat in

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Bezug auf einen den Elektromotor enthaltenden Antriebsabschnitt des Systems ein Drehmomentdetektor zum Erfassen des auf die Zahnradwelle als ein EingangsSeitenglied ausgeübten Drehmoments und ein Steuermechanismus angeordnet, welcher ein Erfassungssignal aus dem Detektor empfängt und dadurch das Abtriebsdrehmoment des Motors steuert. Eine Folge davon ist, daß ähnlich wie im Fall des Systems nach dem US-Patent das Servosystem gegen Störungen empfindlich und außerdem kompliziert ist.

Des weiterem wird bei dem Servosystem nach der japanischen Offenlegungsschrift der Elektromotor so gesteuert, daß er immer eine Drehmomentausgabe hat, die proportional zum Lenkdrehmoment ist, wie es vom Lenkrad auf die Zahnradwelle ausgeübt wird, wodurch eine inhärente Bindung an einen unnützen Leistungsverbrauch besteht.

Die vorliegende Erfindung zielt ab auf die effektive Lösung solcher Probleme eines herkömmlichen elektromagnetischen Servosystems in einer weiter verbesserten Form.

Erfindungsgemäß ist dazu eine elektromagnetische Servoeinheit vorgesehen, die umfaßt: Ein äußeres Gehäuse, eine erste Welle und eine zweite Welle, die beide drehbar in dem Gehäuse gelagert sind, einen Elektromotor mit einem auf der zweiten Welle koaxial befestigten Läufer und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Feld, eine Drehmomenterfassungseinrichtung zum Erfassen des sowohl auf die erste Welle als auch auf die zweite Welle ausgeübten Drehmoments, und eine ein Erfassungssignal aus der Drehmomenterfassungseinrichtung empfangende Steuereinrichtung zum Starten und Steuern des Elektromotors, wobei die Drehmomenterfassungseinrichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und wobei die erste Welle und die zweite Welle durch die Drehmomenterfassungseinrichtung in dem Gehäuse wechselseitig betätigbar miteinander

in Eingriff bringbar sind.

Vorzugsweise sind die erste Welle und die zweite Welle durch das Gehäuse koaxial gehalten, die Drehmomenterfassungseinrichtung umfaßt einen Teil der ersten Welle in dem Gehäuse, einen Teil der zweiten Welle in dem Gehäuse, eine zwischen dem Teil der ersten Welle und dem Teil der zweiten Welle angeordnete elastische Einrichtung, einen entweder an der ersten Welle oder der zweiten Welle fixierten Kommutator des Elektromotors, und eine an der zweiten Welle bzw. ersten Welle befestigte und so ausgebildete Bürste, daß sie in Kontakt mit dem Kommutator zwingbar ist, und der Kommutator ist so ausgebildet, daß er mit der Bürste zum Starten des Elektromotors zusammenwirkt, wenn eine relative winkelmäßige Verschiebung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle erzeugt wird, die einen vorbestimmten Winkelbereich überschreitet.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine elektromagnetische Servoeinheit bereitgestellt ist, bei welcher ein Drehmomentsensor effektiv gegen Störungen, beispielsweise Staub, Feuchtigkeit und externe Kräfte effektiv geschützt werden kann.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine elektromagnetische Sensoreinheit bereitgestellt ist, welche in der Konstruktion vereinfacht und effektiv in einer kompakten und leichtgewichtigen Konstruktion herstellbar und anwendbar ist, wobei eine billige Herstellung ermöglicht ist, während die notwendigen Funktionen ausreichend erzielt werden.

Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine elektromagnetische Servoeinheit bereitgestellt ist, die unnützen Leistungsverbrauch

effektiv eliminieren kann.

Die obigen und andere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Figuren. Von den Figuren zeigenί

Figur 1 einen ein Viertel entfernenden Längsschnitt durch eine elektromagnetische Servoeinheit gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 einen Querschnitt längs der Linie II - II in

Figur 1;
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Figur 3 einen Querschnitt längs der Linie III - III in

Figur 1;

Figur 4 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen Teils einer ersten Welle der elektromagnetischen Servoeinheit nach Figur 1;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Servolenksystems mit der elektromagnetischen Servoeinheit nach Figur 1; und

Figuren 6 und7 zwei Beispiele einer Auslegung eines Servolenksystems für Fahrzeuge, das die elektromagnetische Servoeinheit nach Figur 1 enthält.

In der Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein zylindrisches äußeres Gehäuse einer elektromagnetischen Servoeinheit 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bezeichnet. Das Gehäuse 1 besteht aus einem

äußeren Joch 2 mit einem darin eingebauten Gleichstrommotor 101 und aus einem zylindrischen Trägerteil 3 zum Halten der ersten Welle 8, wobei der Trägerteil 3 an das rechte Ende des Jochs 2 angesetzt ist. Das Gehäuse 1 ist an Ort und Stelle zu fixieren, wenn die Servoeinheit 100 zum Zwecke der Anwendung installiert wird. Am inneren Umfang des Jochs 2 sind an symmetrischen Punkten (der obere und untere Punkt in Figur 2) ein Paar Magnete als Feldpole 4, 4 fixiert und an das linke Ende des Jochs 2 ist ein Deckel 7 angesetzt, der ein Lager 6 zum Halten einer zweiten Welle 5 trägt.

Der linke Teil als ein innerer Abschnitt der ersten Welle

8 ist, wie es auch aus Figur 4 hervorgeht, als ein hohler zylindrischer Teil 8b ausgebildet, der sich nach links öffnet, wobei der Teil 8b eine laterale Kontur aufweist, die durch ein Paar sektoriale Ausschnitte 18, 18 definiert ist, welche in Bezug auf die Achse der Welle symmetrisch zueinander angeordnet sind. Der linke zylindrische Teil 8b der Welle 8 besteht aus einem Teilabschnitt 8c größeren Durchmessers, der die Ausschnitte 18 enthält,und aus einem daran angrenzenden Teilabschnitt 8d kleineren Durchmessers, wobei zwischen den Teilabschnitt 8d kleineren Durchmessers und dem rechten Teil als einem äußeren Abschnitt der Welle 8 ein konischer Teilabschnitt 8e ausgebildet ist.

Zwischen dem zylindrischen Trägerteil 3 des Gehäuses 1 und dem Abschnitt 8d kleineren Durchmessers des hohlen zylindrischen Teils 8b der ersten Welle 8 ist ein Lager

9 zum drehbaren Halten der Welle 8 angeordnet, dessen Achse mit der des Zylinders 1 zusammenfällt. Innerhalb des Abschnitts 8d kleineren Durchmessers ist ein Lager 17 zum Halten eines inneren Endteiles 5a der zweiten Welle 5 angeordnet, welches mit dem linksseitigen Lager 6 so zusammenwirkt, daß die Welle 5 drehbar gehalten wird,

und ihre Achse mit der Achse der ersten Welle 5 zusammenfällt.

An den äußeren Enden der ersten Welle 8 und der zweiten Welle 5 sind ein Bolzeneinsetzloch 32 bzw. eine Keilnut ausgebildet, zur Anwendung bei der Verbindung mit jeweili gen Gliedern oder Elemental , die daran anzukoppeln sind.

Auf der zweiten Welle 5, im wesentlichen auf derem mittle ren Teil ist ein zylindrischer Körper 10 gepaßt und fixiert, als geschichteter oder laminierter Stahlkern mit einer Läuferwicklung 11 aus darauf in Längsrichtung gewickelten elektrischen Leitern. Außerdem ist auf der zweiten Welle 5 neben der rechten Seite der Wicklung 11 ein Kommutator 12 fixiert, der nach Figur 2 ein zylindrisches Isolierglied 13 aufweist, in dessen äußerem Umfang ein Paar gebogener Kohlenstoffwiderstandselemente 14, 15 symmetrisch zueinander in Bezug auf die Achse der Welle 5 eingelassen ist. Die Widerstandselemente 14, 15 bilden elektrische Kontaktsegmente des Kommutators 12. Die Kommutatorelemente 14, 15 sind auf dem Umfang des Kommutators 12 zwischen einander gegenüberliegenden Enden in einem Abstand 1 voneinander angeordnet und jedes Segment ist an einem umfänglichen Mittelpunkt mit einem der beiden Enden der Wicklung 11 elektrisch verbunden.

Des weiteren ist auf der zweiten Welle zwischen dem Kommutator 12 und dem Lager 17 innerhalb des Abschnitts 8d kleinen Durchmessers der ersten Welle 8 ein Eingriffsglied 16 aufgesetzt, welches nach Figur 3 ein Paar Sektorarmteile 16a, I6a aufweist, die symmetrisch zueinander in Bezug auf die Achse der Welle 5 angeordnet sind, wobei sich jedes Armteil 16, I6a auf dem Umfang über einen Winkel oC erstreckt. Längs des Abschnitts, auf dem das Eingriffsglied 16 sitzt, ist die Welle 5 derart re-

duziert, daß auf beiden Seiten ein Kreisabschnitt abgeschnitten ist, so daß sich das Glied 16 zusammen mit der Welle 5 dreht.

Nach Figur 3, in welcher die erste Welle 8 in einer um 90° gegenüber der in Figur 4 gezeigten Position um seine Achse verdreht ist, erstrecken sich die Ausschnitte 18, 18 des zylindrischen Teils 8b der Welle 8 längs des Umfangs jeweils über einen Winkel β .

Der Abschnitt 8c größeren Durchmessers des zylindrischen Teils 8b der ersten Welle weist ein Paar Endflächen 8f auf, von denen jede mit einem Paar daran befestigter Bürstenhalter 19, 19 versehen ist, wie sie aus den Figuren 1 und 2 hervorgehen. In jedem Bürstenhalter 19, ist eine von zwei Bürsten 21 verschiebbar gehalten, die durch ein Paar Schrauben- oder Spiralfedern 20, 20 radial in Richtung des Kommutators 12 elastisch gedrückt sind, wobei die Bürsten 21, 21 elektrisch mit jeweils zwei Anschlüssen einer nicht dargestellten Energiequelle verbunden sind. Wenn die Breite jeder Bürste 21 gleich m ist, wird der längs des Umfangs gemessene Abstand 1 zwischen den Kommutatorsegmenten 14, 14 so dimensioniert, daß 1> m gilt. Wenn die Servoeinheit 100 nicht betrieben wird, werden die Bürsten 21 jeweils in Kontakt mit den beiden freiliegenden Abschnitten des Isoliergliedes 13 des Kommutators 12 gebracht.

Übrigens kann die vorstehende Anordnung effektiv derart modifiziert werden, daß ein Kommutator auf der ersten Welle 8 und eine richtige Anzahl von Bürsten auf der zweiten Welle 5 befestigt ist.

Nach Figur 3 sind die Sektorarmteile l6a, l6a des an der zweiten Welle 5 befestigten Eingriffsgliedes 16 längs

des Umfangs zentral in den Ausschnitten l8, l8 der ersten Welle 8 plaziert, wobei dazwischen zwei Paare von Sektorspalten übrigbleiben, die sich längs des Umfangs jeweils über einen Winkel γ- erstrecken. Diese Spalte" sind jeweils mit einem von vier Guramistücken 22 ausgestopft, so daß jeder Armteil 16a, 16a normalerweise unter Spannung umfangsmäßig in dem zugeordneten Ausschnitt 18, 18 zentriert ist. Die Stücke 22 müssen nicht aus Gummi sein, sondern können auch aus einem anderen ähnlichen elastischen Material sein. Auch der Grad der Elastizität eines solchen Materials kann richtig bestimmt werden.

Nach Figur 2 haben die Magnete 4, 4 außer den Oberseiten 4a, 4a, die radial nach auswärts gekrümmt sind, so daß sie effektiv in unmittelbare Nachbarschaft zur Wicklung 11 des Läufers von zylindrischer Konfiguration gesetzt werden können.

Des weiteren haben die erste und zweite Welle 8, 5 ursprüngliche Positionen, die relativ zueinander zu errichten sind, wenn keine der beiden Wellen 8, 5 ein Drehmoment aufnimmt, derart, daß die Bürsten 21, 21 um einen Winkel von 90 elektrischen Graden relativ zu den Armteilen l6a, l6a gleiten.

Der Gleichstrommotor 101 umfaßt ein aus den Magneten 4,

4 bestehendes Feld, einen aus dem Stahlkern 10 und der Wicklung 11 bestehenden Läufer und einen aus dem Kommutator 12 und den Bürsten 21, 21 bestehenden Kommutierungsmechanismus. Grundsätzlich bildet die zweite Welle

5 eine Abtriebswelle des Gleichstrommotors 101.

Die Funktion der elektromagnetischen Servoeinheit 100 wird im folgenden beschrieben.

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Die Beschreibung wird bezüglich einer Anwendung gemacht, in welcher die erste Welle 8 als eine Antriebswelle und die zweite Welle 5 als eine Abtriebswelle dient.

Es sei nun angenommen, daß sich die Servoeinheit 100 in einer Situation befindet, in welcher ein externes Drehmoment zum Drehen der Antriebswelle 8 beispielsweise in der Richtung eines Pfeiles K in Figur 2 gegeben ist, wodurch bewirkt wird, daß sich die Bürsten 21, 21, die an die linken Endflächen 8f, 8f des Teiles 8c größeren Durchmessers des linken zylindrischen Teils 8b der Antriebswelle 8 in Richtung des Pfeiles K drehen. In dieser Hinsicht sei darauf hingewiesen, daß, weil die Armteile l6a, l6a in den Ausschnitten 18, 18 des Ab-Schnitts 4c größeren Durchmessers angeordnet sind, nur die Gummistücke 22 so ausgebildet sind, daß sie darauf das Drehmoment der Antriebswelle 8 übertragen.

Unter dieser Bedingung dreht sich die Abtriebswelle 5 dann, wenn die durch diese Welle zu erzeugende Last kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, im wesentlichen mit der Antriebswelle 8, wodurch sich ergebende Deformationen der Gummistücke 22 kleingehalten werden, so daß die relative Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 8 und der Abtriebswelle 5, d.h. die relative Winkelverschiebung oder Phasendifferenz zwischen jeder Bürste 21, 21 und dem Kommutator 12 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs 0 gehalten wird, in welchem jede der umfangsmäßig an der Antriebswelle 8 befestigten Bürsten 21, 21 davon abgehalten wird, in Kontakt mit einem zugeordneten der Kontaktsegmente 14, 15 zu treten, die als Widerstandselemente des Kommutators an der Abtriebswelle 5 befestigt sind. Deshalb wird ohne in die Läuferwicklung 11 gesendete elektrischen Ströme kein effektives Drehmoment zwischen der Wicklung

11 und den Magneten 4, 4 entwickelt. Eine Folge davon ist, daß das auf die Antriebswelle 8 ausgeübte externe Drehmoment im wesentlichen direkt durch die Gummistücke 22 auf die Abtriebswelle 5 übertragen wird.

Wenn andererseits die Last an der Abtriebswelle 5 größer wird, entwickelt die Abtriebswelle 5, die sich nicht unisono mit der Antriebswelle 8 dreht, eine größere Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen, wodurch sowohl die relative Winkelverschiebung zwischen ihnen als auch die sich ergebenden Deformationen der Gummistücke 22 entsprechend vergrößern. Insbesondere dann, wenn der vorbestimmte Wert der Last an der Abtriebswelle 5 überschritten wird, überschreitet die relative Winkelver-Schiebung zwischen der Antriebswelle 8 und der Abtriebswelle 5 den vorbestimmten Winkelbereich 0, wodurch die Bürsten 21, 21 in Kontakt mit den Kommutatorsegmenten bzw. 15 gebracht werden. Wenn demgemäß elektrischer Strom in die Läuferwicklung 11 geschickt wird, entwickelt sich zwischen den Magneten 4, 4 und der Wicklung 11 ein elektromagnetisches Drehmoment, d. h. eine Tendenz zur Erzeugung einer Rotation in jeder Richtung, in Richtung des Pfeiles K oder entgegengesetzt, in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Stromes durch die Wicklung 11. Es sei angenommen, daß sich das elektromagnetische Drehmoment in Richtung K entwickelt, wodurch bewirkt wird, daß sich der Läufer in der gleichen Richtung wie die Antriebswelle 8 dreht. Demgemäß wird die Abtriebswelle 5 gezwungen, sich in der Richtung K sowohl wegen des durch die Antriebswelle 8 übertragenen externen Drehmomentes als auch des zusätzlich in dem Gleichstrommotor 101 entwickelten elektromagnetischen Drehmomentes zu drehen. In Bezug darauf wird das elektromagnetische Drehmoment nur entwickelt, während

die Bürsten 21, 21 in Kontakt mit den Kommutatorsegmenten 14, 15 gehalten werden. Der Gleichstrommotor 101 hört mit der Erzeugung eines Drehmomentes auf, wenn dieser Kontakt bei einer Änderung der relativen Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 8 und der Abtriebswelle 5 aufgrund einer entsprechenden Rotation der Abtriebswelle 5 oder eines Nachlassens der Rotation der Antriebswelle 8 unterbrochen wird.

Wenn nämlich bewirkt wird, daß sich die Antriebswelle 8 mit einem darauf ausgeübten externen Drehmoment bis zu einem Grad dreht, bei dem die relative Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 8 und der Abtriebswelle 5 den vorbestimmten Winkelbereich überschreitet, wird elektrischer Strom in die Läuferwicklung geschickt, wodurch elektromagnetisch ein zusätzliches Drehmoment erzeugt wird, welches bewirkt, daß die Abtriebswelle 5 der Rotation der Antriebswelle 8 nachgesteuert wird, so daß das auf die Antriebswelle 8 ausgeübte externe Drehmoment deutlich vergrößert wird, wenn es auf die Abtriebswelle 5 zur Ausgabe übertragen wird.

In anderen Worten ausgedrückt, wird, wenn einmal die Antriebswelle 8 so weit gedreht wird, daß die Bürsten 21, 21 in Kontakt mit den Kommutatorsegmenten 14, 14 gebracht werden und dieser Kontakt aufrecht erhalten wird, elektrischer Strom in die Läuferwicklung 11 geschickt, wodurch auf die Antriebswelle 8 ausgeübtes externes Drehmoment im Lauf der Übertragung zur Abtriebswelle 5 dazu veranlaßt wird, aufgrund eines elektromagnetischen Effekts zwischen der erregten Wicklung 11 und dem Magneten 4, 4 eine Multiplikation zu erzwingen, derart, daß die Abtriebswelle 5 mit einem größeren Drehmoment gedreht wird. Während einer

solchen Phase macht die Läuferwicklung 11 eine Drehung bei einer niedrigen Geschwindigkeit, die der Geschwindigkeit der Rotation der Antriebswelle 8 entspricht.

Diese Wirkungen der Servoeinheit 100, wie sie oben beschrieben worden sind, können ebenso gut erreicht werden, wenn die Antriebswelle 8 in der zum Pfeil K in Figur 2 entgegengesetzten Richtung gedreht wird.

Wenn außerdem die relative Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 8 und der Abtriebswelle 5 bei zunehmen der Last an der Abtriebswelle 5 weiter zunimmt, sind erhöhte jeweilige Kontaktflächen zwischen den Bürsten 21, 21 und den Kommutatorsegmenten 14, 15 vorhanden, und zusätzlich hat die mit den umfangsmäßigen Mittelpunkten der Kommutatorsegemente 14, 15 verbundene Läuferwicklung an beiden Enden erniedrigte Anschlußwiderstände in Bezug auf die Bürsten 21, 21, wodurch elektrischer Strom zur Läuferwicklung 11 erhöht wird. Es ist dadurch möglich, das elektromagnetische Drehmoment durch den Motor 101 entsprechend der Last an der Abtriebswelle 5 zu vergrößern.

Übrigens dringen die Gummistücke 22 entsprechend dem auf die Antriebswelle 8 ausgeübten Drehmoment hervor. Deshalb haben unter der Bedingung, daß die Bürsten 21, 21 in Kontakt mit den Kommutatorsegmenten 14, 15 gehalten sind, wenn das auf die Antriebswelle 8 ausgeübte Drehmoment abnimmt, die Gummistücke 22 entsprechend wieder hergestellte Dimensionen, die es erlauben, daß die Armteile l6, l6a des Eingriffsgliedes 16 in den Ausschnitten l8, 18 wieder ihre ursprünglichen zentralen Positionen einnehmen. Insbesondere wenn das auf die erste Welle 8 ausgeübte Drehmoment unter den vorbestimmten

Wert reduziert wird, wird der Kontakt zwischen den Bürsten 21, 21 und den Segmenten 14, 15 unterbrochen, wodurch die Stromzufuhr zur Läuferwicklung unterbrochen und dadurch bewirkt wird, daß ein elektromagnetisches Drehmoment an dem Motor 101 unmittelbar verschwindet.

Die bis hierher beschriebene elektromagnetische Servoeinheit 100 kann ebenso gut einer Anwendung angepaßt werden, bei welcher die zweite Welle 5 als eine Antriebswelle und die erste Welle 8 als eine Abtriebswelle verwendet wird.

Bei einer solchen Anwendung beginnt der Motor 101 dann, wenn bewirkt wird, daß die relative Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 5 und der Abtriebswelle 8 den vorbestimmten umfangsmäßigen Winkel θ überschreitet, wobei eine Zunahme der Größe der Last an der Abtriebswelle 8 einen vorbestimmten Wert überschreitet, elektromagnetisch ein zusätzliches Drehmoment zu erzeugen, das direkt auf die Antriebswelle 5 auszuüben ist.

Das Prinzip der Funktion der Servoeinheit 100 in einem solchen Fall kann leicht aus der vorstehenden Beschreibung verstanden werden und es wird im einzelnen nicht darauf eingegangen.

Im Hinblick auf den Fall, bei dem die zweite Welle 5 als Antriebswelle benutzt wird, wobei das durch den Motor 101 erzeugte Drehmoment auf die Antriebswelle 5 ausgeübt wird, kann es jedoch zweckmäßig sein, darauf hinzuweisen, daß das ganze auf die Abtriebswelle 8 ausgeübte Drehmoment durch die Gummistücke 22 auszuüben ist.

In der Figur 5, welche eine schematische Darstellung eines Servolenksystems für Fahrzeuge, bestehend aus der

Kombination eines wohlbekannten Lenksystems mit der vorstehenden elektromagnetischen Servoeinheit 100, wie sie konzeptinell gestaltet und durch Verwendung der zweiten Welle 5 als Antriebswelle und der ersten Welle 8 als" Abtriebswelle angewendet ist, bezeichnet das Bezugszeichen 50 ein Lenkrad des Lenksystems, das mit der Antriebswelle 5 der Servoeinheit verbunden ist, und das Bezugszeichen 51 bezeichnet ein gewisses Arbeitsglied, beispielsweise eine Zahnradwelle des Zahnstangen/Zahnradgetriebes des Systems, wobei das Glied 51 mit der Abtriebswelle 8 der Einheit verbunden ist. Zwischen der Antriebswelle 5 und der Abtriebswelle 8, insbesondere zwischen einem Endteil 54 der ersteren und einem diesem gegenüberliegenden Endteil 58 der letzteren ist ein Drehmomentsensor 60 angeordnet, der die Funktion einer Drehmomentübertragung aufweist, welcher Sensor 60 der Kombination der Armteile l6a, l6a und der Gummistücke 22 in den Ausschnitten 18, 18 entspricht, wobei ein solcher Sensor auch durch andere geeignete Mittel gebildet sein kann.

Für die Steuerung der elektromagnetischen Kraftunterstützung wird ein Sensorsignal zum Elektromotor 101 rückgekoppelt, an dessen Abtriebswelle ein Zahnrad 53 befestigt ist, welches mit einem auf der Antriebswelle 5 befestigten anderen Zahnrad 55 kämmt. Die Zahnräder 53 und 55 sind konzeptionell existierende Glieder, da in der oben beschriebenen Ausführungsform die Antriebswelle 5 selbst so ausgebildet ist, daß sie als eine Abtriebswelle des Elektromotors 101 dient. Wenn ein zwischen der Antriebswelle 5 und der Abtriebswelle 8 erzeugtes Drehmoment durch den Drehmomentsensor 60 erfaßt wird, wird der Elektromotor 101 in Abhängigkeit davon so betrieben, daß ein zusätzliches Drehmoment auf die Antriebswelle 5 ausgeübt wird, wodurch der Abtriebswelle 8 ein größeres Drehmoment gegeben wird als ohne den Motor 101.

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Bei dem vorstehend beschriebenen Servolenksystem wird der Antriebswelle 5 ein elektromagnetisches Drehmoment hinzugefügt, während durch den Drehmomentsensor 60 ein repräsentativer Wert, beispielsweise der absolute Wert eines an der Abtriebswelle 8 erzeugten Drehmomentes erfaßt wird, so daß selbst bei feinen Fluktuationen der Last, die sonst Störungen in der Drehmomentausgangscharakteristik sein wurden, eine gesteuerte Kraftunterstützung erreicht werden kann, bei welcher ein an der Antriebswelle 5 erzeugtes Drehmoment vergrößert wird, um auf die Abtriebswelle 8 in stabiler Weise übertragen zu werden.

Des weiteren wird bei dem Servolenksystem nach Figur 5 dann, wenn die relative Winkelverschiebung zwischen der Antriebswelle 5 und der Abtriebswelle 8 bei Erhöhung der Last an der Abtriebswelle 8 über die vorbestimmte Phasendifferenz hinaus erhöht wird, proportional eine Erhöhung in Bezug auf die Kontaktflächen zwischen den Bürsten 21, 21 und den Kommutatorsegmenten 14, 15 sowie eine Erniedrigung in Bezug auf die Widerstände zwischen den Bürsten 21, 21 und der Läuferwicklung 11 bewirkt, wodurch der elektrische Strom zur Läuferwicklung 11 erhöht wird, so daß das Drehmoment durch den Elektromotor 101 in Abhängigkeit von der Erhöhung der Last an der Abtriebswelle 8 größer wird.

In den Figuren 6 und 7, welche zwei Beispiele einer Auslegung eines Servolenksystems für Kraftfahrzeuge mit der erwähnten elektromagnetischen Servoeinheit 100 zeigen, sind mit dem Bezugszeichen 123 ein Lenkrad, mit 124, ein Paar Vorderräder, mit 125 ein Zahnrad, mit 126 ein Zahnstange, mit 127, 127 ein Paar Spurstangen, mit 128, 128 ein Paar Drehzapfen, mit 129 ein Universalgelenk und

mit 130, 130 ein Paar Kugelgelenke bezeichnet. Die elektromagnetische Servoeinheit 100 ist nach Figur 6 zwischen dem Universalgelenk 129 und dem Zahnrad 125, nach Figur 7 zwischen dem Lenkrad 123 und dem Universalgelenk 127, wie es dort durch die durchgezogene Linie gezeigt ist oder in dem Universalgelenk 129 selbst, wie es in der Figur 7 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

Nach der vorausgegangenen Beschreibung dürfte es verständlich sein, daß eine elektromagnetische Servoeinheit als Komponententeile vereinfachter Konstitution integriert hat einen Drehmomenterfassungsmechanismus zum Erfassen eines auf eine Antriebswelle ausgeübten Drehmomentes und daneben einen Kontrollmechanismus, der so ausgebildet ist, daß er mit dem Drehmomenterfassungsmechanismus so zusammenwirkt, daß er davon ein Signal zur Steuerung eines Ausgangsdrehmomentes eines Elektromotors empfängt. Dementsprechend ist zusätzlich dazu, daß der Drehmomenterfassungsmechanismus effektiv gegen Staub, Feuchtigkeit, externe Kräfte und dergleichen geschützt ist, welche sonst Störungen sein würden, die Konstruktion der Servoeinheit selbst günstig vereinfacht und es kann auch bei Anwendungen der Einheit ein Einbau an geeigneten Stellen erreicht werden, beispielsweise zwischen einem Lenkrad und einer Zahnradwelle eines Lenksystems für Fahrzeuge vom Zahnstangen/Zahnradtyp, wie es beispielhaft in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist.

Außerdem ist der Elektromotor so ausgebildet, daß er seinen Betrieb nur startet, wenn eine Abtriebswelle eine Last aufnimmt, die einen vorbestimmten Wert überschreitet, wodurch ein unnützer Leistungsverbrauch effektiv vermieden wird.

Des weiteren ermöglicht die vereinfachte Konstitution bzw. Ausgestaltung des Drehmomenterfassungsmechanismus erfolgreich eine gesicherte Ausführung bzw. einen gesicherten Betrieb sowie ein schnelleres Ansprechen der Servoeinheit.

Darüberhinaus stehen die Antriebswelle und die Abtriebswelle im wesentlichen direkt im Eingriff miteinander, ohne daß das Vorsehen eines getrennten Ausfallsicherungsmechanismus notwendig wäre.

Die erfindungsgemäße elektromagnetische Servoeinheit ist nicht auf ein Servolenksystem für Fahrzeuge beschränkt, sondern kann auf irgendein anderes System angewendet werden, in welchem, falls notwendig, ein größeres Drehmoment ausgegeben werden muß als eingegeben wird.

In Zusammenfassung ist eine erfindungsgemäße elektromagnetische Servoeinheit aus einem äußeren Gehäuse 1, einer ersten Welle 8 und einer zweiten Welle 5, die beide drehbar in dem Gehäuse gelagert sind, einem in das Gehäuse koaxial zur zweiten Welle 5 eingebauten Elektromotor 101, der einen koaxial zur zweiten Welle 5 befestigten Läufer 10, 11 aufweist, einem Drehmomenterfassungsmechanismus 8b, 22, 16, 21, 12 zum Erfassen des auf die erste oder zweite Welle ausgeübten Drehmoments und aus einem Steuermechanismus 21, 14, 15 zum Empfang eines Erfassungssignals aus dem Drehmomenterfassungsmechanismus und zum Steuern des Starts des Elektromotors gebildet. Der Drehmomenterfassungsmechanismus ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und die erste Welle und zweite Welle sind wechselweise betätigbar in dem Gehäuse durch den Drehmomenterfassungsmechnismus miteinander in Eingriff bringbar. Vorzugsweise sind die erste und zwei-

te Welle koaxial in dem Gehäuse gelagert und haben eine realtive Winkelverschiebung zwischen sich, von der beim Starten des Elektromotors Gebrauch gemacht wird, wenn sie so erzeugt wird, daß sie einen vorbestimmten Winkelbereich Q überschreitet. Die erste und zweite Welle sind so ausgebildet, daß sie als Antriebswelle bzw. Abtriebswelle oder umgekehrt dienen können.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickm\nn, DnL-PHiS Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. LiSKA , Dipl.-Phys.. Dr. J« 3522268 D/20 800°MÜNCHEN 86 21, Juni 1985 860 820 MDHLSTRASSE 22 TELEFON (0 89) 98 03 52 TELEX 522621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÜNCHEN HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA 27-8, Jingumae, 6-chome, Shibuya-ku, Tokyo, Japan Elektromagnetische Servoeinheit Patentansprüche

1. Elektromagnetische Servoeinheit, mit einem äußeren Gehäuse (1), mit einer ersten Welle (8) und einer zwei- y ten Welle (5), die beide drehbar von dem Gehäuse (1) \ gehalten sind, mit einem Elektromotor (101), der einen auf der zweiten Welle (5) koaxial befestigten Anker oder Läufer (10, 11) und ein innerhalb des Gehäuses (1) angeordnetes Feld aufweist, mit einer Drehmomenterfassungseinrichtung (8b, 22, 16, 21, 12) zum Erfassen eines auf die erste Welle (8) oder zweite Welle (5) ausgeübten Drehmoments, und mit einer ein Erfassungssignal aus der Drehmomenterfassungseinrichtung empfangenden Steuereinrichtung (21, 14, 15) zum Starten und Steuern des Elektromotors (101), dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomenterfassungseinrichtung (8b, 22, 16, 121, 12) innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist und daß die erste Welle (8) und die zwweite Welle (5) durch die Drehmomenterfassungseinrichtung (8b, 22, 16, 21, 12) in dem Gehäuse (1) wechselseitig betätigbar miteinander in Eingriff bringbar sind.

2. Elektromagnetische Servoeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (8) und die zweite Welle (5) durch das Gehäuse (1) koaxial gehalten sind, daß die Drehmomenterfassungseinrichtung (8b, 22, 16, 21, 12) einenTeil (8b) der ersten Welle (8) in dem Gehäuse (1), einen Teil (16, l6a) der zweiten Welle (5) im Gehäuse (1), eine zwischen dem Teil (8b) der ersten Welle (8) und dem Teil (16, l6a) der zweiten Welle (5) angeordnete elastische Einrichtung (22), einen an der ersten Welle (8) oder der zweiten Welle (5) befestigten Kommutator (12) des Elektromotors (101) und eine an der zweiten Welle (5) bzw. ersten Welle (8) befestigte und in Kontakt mit dem Kommutator (12) zwingbare Bürste (21, 21) umfaßt, und daß der Kommutator (12) so ausgebildet ist, daß er mit der Bürste (21, 21) zum Starten des Elektromotors

* (101) zusammenwirkt, wenn eine relative Winkelverschie

bung zwischen der ersten Welle (8) und der zweiten Welle (5) erzeugt wird, die einen vorbestimmten Winkelbereich (Θ) überschreitet.

3· Elektromagnetische Servoeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (8b) der ersten Welle (8) in dem Gehäuse (1) einen zylindrischen Abschnitt (8b) aufweist, der an seiner lateralen Seite einen Ausschnitt (18) aufweist, daß der Teil (16, 16a) der zweiten Welle (5) in dem Gehäuse (1) einen am inneren Ende der zweiten Welle (5) ausgebildeten Armteil (l6a) aufweist, der in den Ausschnitt (18) ragt, und daß die elastische Einrichtung (22) ein elastisches Glied (29) aufweist, das zwischen dem Ausschnitt (18) und dem Armteil (l6a) zum Ausfüllen eines Zwischenraumes angeordnet ist.

4. Servoeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der auf der ersten Welle (8) oder der zweiten Welle (5) fixierte Kommutator (12) des Elektromotors (101) aus einem zylindrischen isolierenden Element (13) als ein Körperteil der betreffenden Welle und aus einem gebogenen Widerstandselement (14, 15) gebildet ist, das auf dem Umfang des isolierenden Elements (13) derart fixiert ist, daß der Kommutator (12) längs seines Umfangs neben dem Widerstandselement (14, 15) einen freiliegenden Abschnitt des isolierenden Elements (13) aufweist, der so freiliegt, daß er eine vorbestimmte Breite (1) hat, die breiter als die Breite (m) der auf der zugeordneten Welle befestigten Bürste (21) ist, so daß eine Kontaktfläche der Bürste (21) ganz in Kontakt mit dem freiliegenden Abschnitt des isolierenden Elements (13) gebracht ist, wenn die relative Winkelverschiebung zwischen der ersten Welle (8) und der zweiten Welle (5) innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs (0) gehalten wird, und wenigstens ein Teil davon ν mit dem Widerstandselement (14, 15) in Kontakt gebracht ist, wenn die relative Winkelverschiebung den vorbestimmten Winkelbereich (0) überschreitet, und daß der Elektromotor (101) so ausgebildet ist, daß er startet, wenn die Bürste (21, 21) in Kontakt mit dem Widerstandselement (14, 15)gebracht ist.

5. Servoeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Widerstandselement (14, 15) des Kommutators (12) des Elektromotors (101) ein Paar gebogener Widerstandssegmente (14, 15) aufweist, die symmetrisch auf dem Umfang des zylindrischen isolierenden Körpers (13) fixiert sind, daß die auf der zugeordneten Welle fixierte Bürste (21) ein Paar Bürstenelemente (21, 21) aufweist, die symmetrisch auf der zugeordneten Welle fixiert sind, daß dann, wenn weder auf die ersten Welle (8) noch auf die zweite Welle

(5) ein Drehmoment ausgeübt wird, die Bürstenelemente (21) jeweils in Kontakt mit dem umfangsmäßig mittleren Teil des freiliegenden Abschnitts des isolierenden Elements (13) zwischen den Widerstandssegmenten (14, 15) in Kontakt gezwungen sind, so daß der Elektromotor (101) vom Starten abgehalten wird.

6. Servoeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die gebogenen Widerstandssegmente (14, 15) des Kommutators (12) jeweils an ihrem umfangsmäßig mittleren Teil mit einem Ende der Wicklung (11) des Ankers oder Läufers und mit einem Pol einer Energiequelle elektrisch verbunden sind.

7. Servoeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung (21, 14, 15) innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist und die Widerstandssegmente (14, 15) des Kommutators (12) sowie die Bürstenelemente (21, 21) umfaßt.

8. Servoeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (21, 14, 15) innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist.

9. Servoeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (8) und die zweite Welle (5) so ausgebildet sind, daß sie als eine Antriebswelle bzw. Abtriebswelle dienen.

10. Servoeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (8) und die zweite Welle (5) so ausgebildet sind, daß sie als eine Abtriebswelle bzw. eine Antriebswelle dienen.