DE3525912C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Servoeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Servoeinheit ist nach der US-PS 44 48 275 bekannt. Bei dieser Servoeinheit ist keine direkte Kupplung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle vorgesehen.

Nach der DE-OS 29 51 277 ist eine elektrische Servoeinheit bekannt, bei der eine direkte Kupplung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle möglich ist, aber nicht wahlweise eine Kupplung der ersten Welle mit der zweiten Welle über eine Kraftunterstützungseinrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Servoeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die bei niedriger Geschwindigkeit des Fahrzeugs eine Kraftunter­ stützung bewirken kann, bei hoher Geschwindigkeit des Fahrzeugs dagegen selbsttätig die erste Welle mit der zweiten Welle direkt kuppelt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die bevorzugte Ausführungsform der elektromagnetischen Servoeinheit, wobei ein Viertel wegge­ schnitten ist;

Fig. 2 einen wesentlichen Bereich eines Mechanismus zur Ermittlung des Drehmomentes der Servoeinheit, wobei dieser Bereich entlang des Pfeiles 2 der Fig. 1 betrachtet wird;

Fig. 3 ein schematisches Verbindungsdiagramm eines Steuerkreises, der einen elektrischen Motor und eine elektromagnetische Kupplung der Servoeinheit der Fig. 1 enthält; und

Fig. 4 ein ausführliches Verbindungsdiagramm des Steuerkreises der Fig. 3, der teilweise abgeändert ist.

In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 100 die gesamte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Servoeinheit. Die Servoeinheit 100 weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, das ein äußeres Teil der gesamten Einheit bildet. Das Gehäuse 1 besteht aus einem äußeren Joch 1 A, das einen ersten Gehäusebe­ reich darstellt, in den ein Elektromotor 2 eingebaut ist, einem zweiten Gehäusebereich 1 B, in dem als Haupt­ teile ein Untersetzungsgetriebe 3 und eine elektroma­ gnetische Kupplung 4 angeordnet sind, und einem dritten Gehäusebereich 1 C, der einen Mechanismus 5 enthält, der als ein Detektor zur Drehmomentermittlung dient.

Das Joch 1 A weist wenigstens ein Paar von Permanentma­ gneten 6 auf, die als Magnetpole am Innenumfang des Joches 1 A an symmetrischen Punkten befestigt sind. Die Magneten 6 bilden ein Feld des Elektromotors 2. Am linken Ende des Joches 1 A der Fig. 1 ist an der Öffnung des Joches ein Deckelteil 9 mit einem Lager 8 befestigt, in dem der linke Bereich einer zweiten Welle 7 befestigt ist. Am linken Ende des zweiten Gehäusebe­ reiches 1 B, an dem eine mittige Öffnung 1 B-1 durch einen Endseitenbereich 1 B-2 des Gehäusebereiches 1 B ausgebildet ist, wobei in der Öffnung ein Lager 10 befestigt ist, ist der Außenumfang des Endseitenberei­ ches 1 B-2 in eine Öffnung an dem rechten Ende des Joches 1 A eingepaßt, wobei dieser Bereich 1 B-2 des zweiten Gehäusebereiches 1 B und der Deckel 9 des Joches 1 A durch ein Paar von relativ langen Bolzen 11 integral aneinander befestigt sind, die an symmetrischen Posi­ tionen in bezug auf die Achse der Servoeinheit 100 vorgesehen sind. Der dritte Gehäusebereich 1 C weist an seinem linken Ende einen Öffnungsbereich 1 C-1 auf, der auf den sich nach rechts öffnenden Endbereich des zweiten Gehäusebereiches 1 B aufgeschraubt ist. An seinem rechten Ende weist der dritte Gehäusebereich 1 C einen Endbereich 1 C-2 auf, in dem ein Lager 13 zur Lagerung des rechten Bereiches einer ersten Welle 12 befestigt ist.

Die zweite Welle 7, deren linker Bereich drehbar durch das Lager 8 im Gehäuse 1 gelagert ist, weist an ihrem linken Ende eine Kerbverzahnung 7 a zur Verbindung mit einem externen Teil (nicht dargestellt) auf. Entlang der zweiten Welle 7 und um diese herum ist ein Rotor 2 a vorgesehen, der drehbar durch die Kombination eines Kugellagers 15 und eines Nadellagers 16 gelagert ist. Die Lager 15 und 16 sind beide auf die zweite Welle 7 aufgepaßt. Der Rotor 2 a enthält als Ankerwicklung des Elektromotors 2 einen geschichteten Stahlkern als Ankerkern 2 a-1 mit einer Mehrzahl von axialen Schlitzen (nicht dargestellt), die in seinem Außenumfang ausge­ bildet sind, und eine Ankerwicklung 2 a-2, die durch die Schlitze verläuft.

In dem sich nach links öffnenden Endbereich des Joches 1 A ist eine ringförmige Platte 17 am Joch 1 A befestigt, die auf ihrer linken Seite ein Paar von Bürsten 18 aufweist, die an ihr befestigt sind und symmetrisch zueinander in bezug auf die Achse der Servoeinheit 100 angeordnet sind. Andererseits weist der Rotor 2 a als ein Bestandteil, auf dem der Ankerkern 2 a-1 aufgepaßt ist, einen mittleren zylindrischen Bereich 2 a-3 auf, an dessen linkem Endteil ein Schleifring-Kommutator 19 befestigt ist, der elektrisch in einer geeigneten Weise mit der Ankerwicklung 2 a-2 verbunden ist. Die Bürsten 18 berühren den Kommutator 19 gleitend, so daß ein elektrischer Strom in einer geeigneten Weise in die Wicklung 2 a-2 über die Kombination der Bürsten 18 und des Kommutators 19 gesendet wird. Die Wicklung 2 a-2 wirkt mit dem Permanentmagneten 6 zusammen, wenn sie durch den zugeführten elektrischen Strom erregt wird, um ein elektromagnetisches Drehmoment, d. h. eine Ten­ denz zu bewirken, durch die der Rotor 2 a in eine Richtung gedreht wird, wie dies gefordert wird.

Die erste Welle 12, die in ihrem rechten Bereich drehbar durch das Lager 13 gehalten wird, und vom rechten Endbereich 1 C-2 des dritten Gehäusebereiches 1 C nach außen vorsteht, weist an ihrem nach rechts vorste­ henden Ende eine Kerbverzahnung 12 a auf, an die ein externes Teil (nicht dargestellt) ankuppelbar ist. Im linken Bereich der ersten Welle 12 ist ein radial ausgedehnter zylindrischer Bereich 12 b ausgebildet, der sich nach links öffnet. Das linke Ende des zylindri­ schen Bereiches 12 b weist an jeder der durch Winkel bzw. Phasendifferenzen von 90° voneinander beabstande­ ten Winkelpositionen abwechselnd einen Einschnitt 12 b-1 und an den restlichen Winkelpo­ sitionen einen sich radial nach außen erstreckenden Vorsprung 12 b-2 mit einer mittig geschnittenen Sektor­ form auf, wobei der Vorsprung 12 b-2 an seiner hinteren Seite einen Keil 12 b-3 aufweist.

Am rechten Ende der zweiten Welle 7 ist um diese herum eine Scheibe einer ringförmigen ersten Kupplungsplatte 22 über ein Paar von Blech-Blattfedern 23 befestigt, die eine mittig geschnittene Sektorform aufweisen, wobei sich die Federn 23 von der Welle 7 aus symme­ trisch zueinander in bezug auf die Achse der Welle 7 radial nach außen erstreckt. Jede der Blattfedern 23, die in axialer Richtung nach rechts nachgiebig ist und normalerweise die erste Kupplungsplatte 22 in Richtung auf den Vorsprung 12 b-2 vorspannen kann, weist eine große Steifigkeit bzw. Starrheit gegen tangential auf sie ausgeübte Torsionskräfte zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 auf.

Außerdem ist auf das rechte Ende der zweiten Welle 7 ein Nockenteil 24 fest aufgepaßt, das einen in Richtung auf die erste Welle 12 axial vorstehenden Nockenbereich an jeder Winkelposition bei einer Phasendifferenz von 90° relativ zu den Blattfedern 23 aufweist. In Fig. 1 ist dieser Nockenbereich an der unteren Seite der Welle 7 beansprucht dargestellt. An den Nockenteilen 24 sind die Federn 23 befestigt. Wie dies in der Fig. 2 genauer dargestellt ist, weist der Nockenbereich an seiner radial gesehenen Innenseite des Nockenteiles 24 einen Innenbereich 24 a einer im wesentlichen rechtwin­ keligen Form und an seiner in radialer Richtung gesehe­ nen Außenseite einen Außenbereich 24 b auf, der im wesentlichen eine Keilform besitzt. Der rechtwinklige Bereich 24 a greift in den Einschnitt 12 b-1 ein, der in den linken zylindrischen Bereich 12 b der ersten Welle 12 eingeschnitten ist, wobei ein geeigneter Umfangs­ spalt dazwischen besteht.

Die erste Welle 12 und die zweite Welle 7 sind koaxial zueinander angeordnet und elastisch über einen Tor­ sionsstab 21 miteinander verbunden. Wenn daher die erste Welle 12, die wirksam mit einem Steuerrad (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt) verbindbar ist, wenn dieses mit der Servoeinheit 100 ausgerüstet ist, in einer Drehrichtung einem externen Drehmoment unterworfen wird, überträgt der Torsionsstab 21 das Drehmoment auf die zweite Welle 7, so daß dort eine relative Winkelverschiebung oder Phasendifferenz zwischen den Wellen 7, 12 in Übereinstimmung mit einer Last an der zweiten Welle 7 erzeugt wird. Wenn die relative Winkelverschiebung bis zu einem vorbestimmten Winkel bewirkt wird, wird der rechtwinklige Bereich 24 a des Nockenteiles 24, das an der zweiten Welle 7 befe­ stigt ist, zum Anschlag an einem Schulterteil des Einschnittes 12 b-1 des zylindrischen Bereiches 12 b der ersten Welle 12 gebracht. Wenn daher die erste Welle 12 sich weiter in der zuvor genannten einen Richtung dreht, wird bewirkt, daß die zweite Welle 7 sich integral bzw. zusammen mit der ersten Welle dreht. Mit anderen Worten weist die Servoeinheit 100 einen Sicher­ heitsmechanismus auf, der die Kombination des recht­ winkligen Teiles 24 a des Nockenteiles 24 und des Ein­ schnittes 12 b-1 der ersten Welle 12 umfaßt.

Das Untersetzungsgetriebe 3 umfaßt eine Reihe von zwei Stufen eines Planetengetriebes. Eine erste Stufe be­ steht aus einem ersten Sonnenzahnrad, das am rechten Ende des mittigen zylindrischen Bereiches 12 a-3 des Rotors 2 a ausgebildet ist, einem ersten Ringzahnrad 25, das an dem Innenumfang des zweiten Gehäusebereiches 1 B befestigt ist, und drei dazwischen angeordneten ersten Planetenzahnräder 26, die in das Sonnenzahnrad 20 und das Ringzahnrad 25 eingreifen. Die zweite Stufe besteht aus einem zweiten Sonnenzahnrad 27, das integral in dem mittleren Bereich eines ringförmigen Stützteiles 26 a eingepaßt ist, das die ersten Planetenzahnräder 26 trägt, einem zweiten Ringzahnrad 28, das an dem Innen­ umfang des zweiten Gehäusebereiches 1 B befestigt ist, und drei dazwischen angeordneten zweiten Planetenzahn­ rädern 29, die in das Sonnenzahnrad 27 und das Ring­ zahnrad 28 eingreifen. Die zweiten Planetenzahnräder 29 werden von einem radial nach außen angeflanschten Bereich 30 a eines rohrförmigen Teiles 30 gehalten bzw. getragen, das drehbar durch ein Lager 14 gehalten wird, das auf die zweite Welle 7 aufgepaßt ist. Das rohrför­ mige Teil 30 weist an seinem rechten Ende eine zweite Kupplungsplatte 31 auf, die an ihm befestigt ist. Die Kupplungsplatte 31 liegt der ersten Kupplungsplatte 22 gegenüber, wobei dazwischen normalerweise ein vorbe­ stimmter Raum verbleibt.

Die elektromagnetische Kupplung 4 umfaßt die erste Kupplungsplatte 22 und die zweite Kupplungsplatte 31 und ein elektromagnetisches Solenoid 32, das ringförmig ausgebildet und an der linken Seite in der Fig. 1 der zweiten Kupplung 31 angeordnet und von dieser beabstan­ det ist, um einen vorbestimmten Luftspalt dazwischen herzustellen. Das Solenoid 32 ist am inneren Umfang des zweiten Gehäusebereiches 1 B befestigt, während die erste Kupplungsplatte 22 normalerweise durch die Feder­ kraft der Blattfedern 23 so vorgespannt ist, daß sie in einen Kontakt zu dem Sektorvorsprung 12 b-2 des ersten zylindrischen Bereiches 12 b der ersten Welle 12 gezwun­ gen wird. Wenn das Solenoid 32 erregt wird, wird die erste Kupplungsplatte 22 dadurch gegen die Federkräfte der Blattfedern 23 angezogen, so daß sie integral an der zweiten Kupplungsplatte 31 angreift.

Der Mechanismus 5 zur Ermittlung des Drehmomentes umfaßt einen Differentialtransformator 33, der an dem Innenumfang des dritten Gehäusebereiches 1 C befestigt ist, und ein mobiles Teil 34 mit einem Randbereich 34 a, das in der axialen Richtung der Servoeinheit 100 rela­ tiv zum Differentialtransformator 33 bewegbar ist. Dieser Mechanismus 5 kann, wie dies unten erläutert werden wird, die Größe des zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 entwickelten Drehmomentes dadurch ermitteln, daß er dieses in eine axiale Ver­ schiebung des beweglichen Teiles 34 umwandelt.

Das bewegliche Teil 34, das axial gleitbar auf der ersten Welle 12 aufgepaßt ist, ist normalerweise nach links (Fig. 1) durch eine Schraubenfeder 35 vorge­ spannt. Der linke Teil des mobilen Teiles 34, der so geformt ist, daß er sich radial nach außen erweitert, weist an jeder entsprechenden Winkelposition eine keilförmige Nockennut 34 b auf, die in die linke Kante eingeschnitten ist, und in die, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist, das keilähnliche Teil 24 b des Nocken­ teiles 24 eingreift. Außerdem weist er an jeder der Winkelpositionen, die winkelmäßiig durch eine Phasen­ differenz von 90° in bezug auf die Nockennut 34 b voneinander beabstandet sind, einen Keilschlitz 34 c auf, in den der Keil 12 b-3 des zylindrischen Bereiches 12 b der ersten Welle 12 eingreift, wobei durch diesen Keileingriff ermöglicht wird, daß das mobile Teil 34 nur in der axialen Richtung gleitet.

In der Fig. 2 sind das Nockenteil 24 und das bewegli­ che Teil 34 so dargestellt, daß zwischen ihnen klar ersichtlich eine unten definierte Position besteht, während die anderen zugeordneten Teile weggelassen sind. In der Servoeinheit 100 wird nämlich vorausge­ setzt, daß dann, wenn die Teile 24, 34 relativ zuein­ ander die in der Fig. 2 dargestellte Position anneh­ men, keine relative Winkelverschiebung oder Phasendif­ ferenz zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 entwickelt wird.

Wenn das äußere Drehmoment so angelegt wird, daß es die erste Welle 12 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, wie dies aus der rechten Seite der Fig. 1 und 2 hervor­ geht, wird die erste Kupplungsplatte 22 sofort von dem Sektorvorsprung 12 b-2 ausgerückt. Aus diesem Grunde wird das an die erste Welle 12 angelegte Drehmoment über den Torsionsstab 21 zur zweiten Welle 7 übertra­ gen, so daß diese Welle 7 entgegen dem Uhrzeigersinn in Übereinstimmung mit einer an ihr anliegenden Last gedreht wird, wobei relativ zur Drehung der Welle 12 entgegen dem Uhrzeigersinn eine Verzögerung besteht. Demgemäß wird das Nockenteil 24, das an der zweiten Welle 7 befestigt ist, im Uhrzeigersinn entsprechend relativ zum beweglichen Teil 34 gedreht, das gleitbar auf die erste Welle 12 aufgepaßt ist und nur in die axiale Richtung in bezug auf die Welle 12 bewegbar ist. Mit anderen Worten wird bewirkt, daß das Teil 24 sich relativ zu diesem Teil 34 in der Richtung X 1 in der Fig. 2 dreht. Gleichzeitig wird infolge des koni­ schen bzw. verjüngten Eingriffes zwischen dem keilähn­ lichen Teil 24 b des Nockenteiles 24 und der keilförmi­ gen Nockennut 34 b des beweglichen Teiles 34 bewirkt, daß das Teil 34 nach rechts, d. h. in der Richtung Y 1 in Fig. 2, gegen die Schraubenfeder 35 gleitet. In der Fig. 2 ist durch ein Bezugszeichen Z die axiale Position des rechten Endes des Randbereiches 34 a des beweglichen Teiles 34 dargestellt, wenn keine relative Winkelverschiebung zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 entwickelt wird.

In dem Fall, in dem ein äußeres Drehmoment an die erste Welle 12 angelegt wird, das versucht, eine Drehung im Uhrzeigersinn zu bewirken, werden die oben beschriebe­ nen Drehrichtungen umgekehrt, so daß das Nockenteil 24 sich entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zum beweglichen Teil 34, d. h. in der Richtung X 2 in Fig. 2 dreht, und daß das Teil 34, das durch die Schraubenfeder 35 nach links, d. h. in der Richtung Y 2 in Fig. 2, bewegt wird, in diese Richtung gleiten kann.

Auf der Grundlage dieser axialen Bewegungen des beweg­ lichen Teiles 34 werden sowohl die Größe als auch die Drehrichtung des zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 entwickelten Drehmomentes mit dem Mechanismus 5 zur Ermittlung des Drehmomentes ange­ zeigt, der die notwendigen elektrischen Kreise zur Ermittlung des Drehmomentes, die den Differentialtrans­ formator 33 enthalten, aufweist.

Gemäß Fig. 3, die eine schematische Darstellung des Steuerkreises der Servoeinheit 100 zeigt, wird entspre­ chend dem zwischen den Wellen 7, 12 entwickelten Dreh­ moment, dessen Größe und Drehrichtung durch den Mechanismus 5 zur Ermittlung des Drehmomentes, der als Drehmomentdetektor dient und den Differentialtransfor­ mator 33 enthält, ermittelt werden, ein Ermittlungssi­ gnal ausgegeben, um einen Schalter 38 einzuschalten, der in einer elektrischen Leitung von einer Spannungs­ quelle 37 zu einem Anschluß a angeordnet ist, der zur Ankerwicklung 2 a-2 des Elektromotors 2 führt. Der Anschluß a bewirkt einen Nebenschluß bzw. Shunt zwi­ schen einer Leitung zum Solenoid 32 der elektromagne­ tischen Kupplung 4 und leitet auf diese Weise einen elektrischen Strom dorthin. Der Motor 2 entwickelt demgemäß ein elektromagnetisches Drehmoment, mit dem der Rotor 2 a in der Drehrichtung des externen Drehmo­ mentes gedreht wird, das auf die erste Eingangswelle 12 wirkt. Gleichzeitig wird das Solenoid 32 der Kupplung 4 erregt, das einem Zustand unterliegt, der später noch beschrieben werden wird, um die erste Kupplungsplatte 22 an der zweiten Kupplungsplatte 31 integral einzu­ rücken, so daß das elektromagnetische Drehmoment des Motors 2 zusätzlich über das Untersetzungsgetriebe 3 und die Kupplung 4 an die zweite Welle 7 angelegt wird. Als Ergebnis wird, wenn das externe Drehmoment auf die erste Welle 12 einwirkt, entsprechend den vorbestimmten Zuständen eine Hilfsleistung in der Form des zusätzli­ chen elektromagnetischen Drehmomentes gegeben, wie es vom elektrischen Motor 2 entwickelt und von diesem zur zweiten Welle 7 übertragen wird, auf die daher ein verstärktes Drehmoment einwirkt.

Bei dem zuvor beschriebenen Servosystem erfolgt die Betätigung der elektromagnetischen Kupplung 4 oder das Senden eines elektrischen Stromes zum Solenoid 32 unter einer besonderen Bedingung. Wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, ist in der Nebenschlußleitung zur Kupplung 4 ein Ein-Aus-Schalter 40 angeordnet, der durch ein Ausgangssignal von einem bekannten Geschwin­ digkeitssensor 39 irgendeines Kraftfahrzeugtyps betä­ tigbar ist, so daß er dann, wenn die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges relativ groß ist, im eingeschalte­ ten Zustand gehalten wird, und bei einer relativ nied­ rigen Geschwindigkeit ausgeschaltet bleibt. Aus diesem Grunde kann bei der Anwendung der Servoeinheit 100 im Zusammenhang mit einem Leistungssteuersystem eines Kraftfahrzeuges die Servoeinheit 100 dann, wenn das Kraftfahrzeug in niedrigen Geschwindigkeiten fährt und wenn sowohl der Elektromotor 2 als auch die elektroma­ gnetische Kupplung 4 erregt sind, als ein Drehmoment­ verstärker dienen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann sie als eine direkte Kupplung verwendet werden, die die erste Welle 12 mit der zweiten Welle 7 verbindet, ohne daß eine Drehmomentverstärkung bewirkt wird. Dies bedeutet, daß sie in diesem Fall als eine direkt kuppelnde Vorrichtung angewendet werden kann, die zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 vorgesehen ist.

Die Funktion der elektromagnetischen Kupplung 4 wird nachfolgend noch einmal mit anderen Worten beschrieben.

Während die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges relativ klein ist, bewirkt das Solenoid 32 der Kupplung 4 zu der Zeit, zu der eine Drehung der ersten Welle 12 bei einer Einwirkung eines äußeren Drehmomentes auf diese Welle eingeleitet wird, daß die erste Kupplungsplatte 22, die an der zweiten Welle 7 befestigt ist und zuvor gelegentlich mit dem mittig geschnittenen Sektorvor­ sprung 12 b-2 der ersten Welle 12 eingerückt wurde, an der zweiten Kupplungsplatte 31 angreift. Das auf die erste Welle 12 einwirkende äußere Drehmoment wird daher auf die zweite Welle 7 übertragen, während es durch den elektrischen Motor 2 verstärkt wird, so daß auf diese Welle 7 ein größeres Drehmoment einwirkt, als das auf die Welle 12 ausgeübte Drehmoment.

Andererseits bleibt das Solenoid 32 der Kupplung 4 entregt, wenn die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges relativ groß ist, so daß die erste Kupplungsplatte 22 in einem Eingriffskontakt mit dem Sektorvorsprung 12 b-2 der ersten Welle 12 gehalten wird. Außerdem wirken, weil die Blattfedern 23, die die erste Kupplungsplatte 22 tragen, in der Torsions- oder Tangentialrichtung eine hohe Steifigkeit aufweisen, die wechselseitig angreifenden Kontaktflächen der ersten Kupplung 22 und des Vorsprunges 12 b-2, die einen sehr hohen Reibungs­ koeffizienten aufweisen, zusammen, um einen Zustand herzustellen, in dem die erste Welle 12 im wesentlichen befestigt ist, so daß sie an die zweite Welle 7 ange­ koppelt ist. Als Ergebnis wird das auf die erste Welle 12 einwirkende äußere Drehmoment direkt auf die zweite Welle 7 übertragen.

Gemäß Fig. 3 kann der Schalter 38 praktisch sowohl die Amperezahl als auch die Richtung des zur Ankerwicklung 2 a-2 des elektrischen Motores 2 zuzuführenden Stromes in Übereinstimmung mit dem von dem Differentialtransfor­ mator 33 des Drehmomentdetektors 5 abgeleiteten Ermitt­ lungssignal steuern. Außerdem kann der Schalter 40, der bisher die Ein-Aus-Steuerung der elektromagnetischen Kupplung 4 in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal vom Geschwindigkeitssensor des Kraftfahrzeuges bewirken kann, vorzugsweise vor dem Nebenschlußanschluß a ange­ ordnet werden, um die Ein-Aus-Steuerung sowohl für den Motor 2 als auch die Kupplung 4 zu bewirken. In der Fig. 4 ist ein beispielhaftes Blockschaltbild für eine derartige Teilmodifikation dargestellt, in der der Kreis der Fig. 3 in einer praktischeren Weise, insbe­ dere in bezug auf die Verbindung des Schalters 38, vorliegt. Gleiche Teile der Fig. 4 sind durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt.

In der Fig. 4 ist nun mit dem Bezugszeichen 38 ein Schaltkreis bezeichnet. Der Schaltkreis 38 umfaßt drei Umschalter 38 a, 38 b, 38 c, die alle zu einer Zeit in derselben Umschaltrichtung mit jedem Solenoidbetäti­ gungsglied eines Paares von Solenoidbetätigungsgliedern (nicht dargestellt) betätigbar sind, die in Überein­ stimmung mit der Ein-Aus-Wirkung eines Paares von Relais (nicht dargestellt) erregt und entregt werden, wobei die Relais durch das Ermittlungssignal vom Dreh­ momentwandler 5 gesteuert werden. Außerdem umfaßt der Schaltkreis 38 einen variablen Widerstand 38 d, dessen Widerstand in Übereinstimmung mit dem Ermittlungssignal des Drehmomentwandlers 5 variabel ist. Der Widerstand 38 d ist zwischen einen Umschalter 38 b der Umschalter und die externe Spannungsquelle 37 geschaltet. Es ist ein weiterer Schaltkreis 40 vorgesehen, der ein Paar von Ein-Aus-Schaltern 40 a, 40 b aufweist, die beide gleichzeitig ausschaltbar sind, wenn ein nicht darge­ stelltes Solenoidbetätigungsglied erregt wird. Dieses Betätigungsglied kann in Übereinstimmung mit einer Ein- Aus-Wirkung eines nicht dargestellten Relais erregt und entregt werden, wobei das Relais durch das Ausgangssi­ gnal vom Geschwindigkeitssensor 39 des Kraftfahrzeuges gesteuert wird. Ein Schalter 40 a der Ein-Aus-Schalter des Schaltkreises 40 kann den Schaltkreis 38 mit dem Solenoid 32 der elektromagnetischen Kupplung 4 verbin­ den und der andere Schalter 40 b der Ein-Aus-Schalter des Schaltkreises 40 kann die Verbindung vom Kreis 38 zu einer Bürste des Bürstenpaares 18, 18 des elektri­ schen Motores 2 herstellen.

In der Fig. 4 sind die Schaltkreise 38, 40 in einem Zustand der Servoeinheit 100 dargestellt, in dem kein Drehmoment an die erste Welle 12 angelegt ist, während die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ niedrig ist. In diesem Zustand sind beide Ein-Aus-Schalter 40 a, 40 b eingeschaltet, und die Umschalter 38 a, 38 b, 38 c befinden sich alle in der neutralen Stellung.

Während die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ niedrig gehalten wird, wenn ein äußeres Drehmoment einer be­ stimmten Größe angewendet wird, um die erste Welle 12 in einer Drehrichtung zu drehen, wird gleichzeitig das Ermittlungssignal des Drehmomentdetektors 5 dem Schalt­ kreis 38 zugeführt, wo es bewirkt, daß alle Umschalter 38 a, 38 b, 38 c in eine Richtung in Übereinstimmung mit der Drehrichtung des externen Drehmomentes umgeschaltet werden, so daß sie eingeschaltet sind. Als Ergebnis wird die elektromagnetische Kupplung erregt, und zur selben Zeit wird an den Elektromotor 2 ein elektrischer Strom einer vorbestimmten Amperezahl der erforderlichen Richtung angelegt, weshalb die Servoeinheit 100 eine Drehmomentverstärkung bewirken kann, wie dies zuvor erwähnt wurde.

Außerdem können, während die Fahrzeuggeschwindigkeit noch relativ niedrig gehalten wird, dann, wenn ein externes Drehmoment einer bestimmten Größe angelegt wird, um die erste Welle 12 in der entgegengesetzten Drehrichtung zu drehen, die Umschalter 38 a, 38 b, 38 c alle in die entgegengesetzte Richtung umgeschaltet werden, so daß sie wieder eingeschaltet werden. Dadurch entsteht an der zweiten Welle 7 ein resultierendes Drehmoment einer vorbestimmten Größe, das auf die zweite Welle 7 in der entgegengesetzten Drehrichtung in bezug auf die Drehrichtung des früheren Falles wirkt.

Andererseits werden die Ein-Aus-Schalter 40 a, 40 b in der oben beschriebenen Weise ausgeschaltet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zu relativ hohen Werten ver­ schoben wird, so daß der Motor 2 nicht gestartet wird und die Kupplung 4 in einem ausgerückten Zustand unab­ hängig von dem Kreiszustand des Schaltkreises 38 gehal­ ten wird. In dem ausgerückten Zustand der Kupplung 4, in dem die erste Kupplungsplatte 22 nicht den Sektor­ vorsprung 12 b-2 der ersten Welle 12 berührend angreift, wird das auf die erste Welle 12 einwirkende äußere Drehmoment im wesentlichen direkt zur zweiten Welle 7 übertragen, wie dies bereits beschrieben wurde.

Beim voranstehenden Beispiel ist der Schaltkreis 40 hinter dem Schaltkreis 38 angeordnet, wie dies in der Fig. 4 dargestellt ist. Im Hinblick auf den Leistungs­ verbrauch kann bei einem weiteren abgeänderten Ausfüh­ rungsbeispiel ein solcher Schaltkreis wie der Kreis 40 vorzugsweise an einem Punkt angeordnet sein, an dem das Ermittlungssignal von dem Drehmomentdetektor 5, das im wesentlichen direkt von diesem gesendet wird, ein-aus- gesteuert werden kann, d. h., daß der Schaltkreis nicht hinter dem Schaltkreis 38, sondern näher am Detektor 5 als der Kreis 38, beispielsweise an einem Punkt 5 a der Fig. 4, angeordnet ist.

In beiden modifizierten Ausführungsbeispielen wird jedoch, wenn keine relative Winkelverschiebung zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 durch das Ermittlungssignal vom Drehmomentdetektor 5, das zum Schaltkreis 38 gesendet wird, dargestellt wird, keines der nicht dargestellten paarweise vorgesehenen Solenoid­ betätigungsglieder in diesem Kreis 38 zu seiner Betä­ tigung erregt, so daß die Umschalter 38 a, 38 b, 38 c alle in ihren neutralen Positionen gehalten werden. Ein solcher Zustand ergibt sich auch, wenn das Ermittlungs­ signal selbst von dem Drehmomentwandler 5 nicht vorliegt.

In der voranstehenden Ausführungsform wird die erste Welle 12 außerdem als eine Eingangswelle und die zweite Welle 7 als eine Ausgangswelle verwendet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bei einer anderen Ausführungsform vorteilhafterweise die erste Welle 12 als eine Ausgangswelle und die zweite Welle 7 als eine Eingangswelle verwendet werden können.

Aus der voranstehenden Beschreibung ergibt sich, daß erfindungsgemäß in der elektromagnetischen Servoeinheit 100, die die drehbare erste Welle 12, die drehbare zweite Welle 7, den Torsionsstab 21, der zwischen den Wellen 12 und 7 angeordnet ist, und den elektrischen Motor 2 enthält, bei relativ niedrigen Geschwindigkei­ ten des Kraftfahrzeuges der Motor 2 eine Ausgangslei­ stung in der Form eines zusätzlichen Drehmomentes über das Untersetzungsgetriebe 3 und die elektromagnetische Kupplung 4 an die zweite Welle 7 anlegt und bei relativ hohen Kraftfahrzeuggeschwindigkeiten die erste und die zweite Welle 12, 7 im wesentlichen direkt durch einen direktkuppelnden Mechanismus aneinander gekuppelt wer­ den, der durch die Blattfedern 23, die erste Kupplungs­ platte 22 und den Sektorvorsprung 12 b-2 gebildet wird. Als Ergebnis wird dem Fahrer eines Kraftfahrzeuges im Zustand einer hohen Geschwindigkeit sehr vorteilhafter­ weise ein Steuergefühl vermittelt, das demjenigen in einem Steuersystem vom manuellen Typ ohne Leistungsun­ terstützung ähnelt.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß in dem Fall, in dem ein Steuergefühl eines Steuersystems vom manuellen Typ unter einer anderen Bedingung als der oben angegebenen gewünscht wird, die Servoeinheit 100 so modifiziert werden kann, daß sie dies dementspre­ chend unter Anwendung eines geeigneten Sensors und einer Verarbeitungsvorrichtung ausführt.

Wenn es beispielsweise gewünscht wird, daß für den Fahrer eines Kraftfahrzeuges ein Steuergefühl eines manuellen Systems nur dann bewirkt wird, wenn das Ladegewicht des Fahrzeuges kleiner als ein vorbe­ stimmtes Gewicht ist, kann die Servoeinheit 100 durch einen geeigneten Sensor, der das Ladegewicht ermitteln kann, modifiziert werden. Bei einem derartigen Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Sensor zur Ermittlung der Fahrzeughöhe oder um einen Sensor zur Ermittlung des Luftdruckes im Reifen.

Insbesondere dann, wenn ein manuelles Steuergefühl willkürlich für den Fahrer gewünscht wird, kann eine vorzugsweise Ausführungsform angewendet werden, bei der ein manuell betätigbarer Ein-Aus-Schalter am Punkt 5 a der Fig. 4 angeordnet ist.

Außerdem weist die erfindungsgemäße elektromagnetische Servoeinheit 100 jene Vorrichtungen auf, die an die zweite Welle 7 ein zusätzliches Drehmoment anlegen können. Diese Vorrichtungen enthalten den Elektromotor 2, das Untersetzungsgetriebe 3 und die elektromagneti­ sche Kupplung 4. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß ein Vergleich mit dem zuvor erwähnten elektromagnetischen Servosystem gemäß der US-PS 44 48 275 ergibt, daß die Servoeinheit 100 kompakter und ein­ facher im Hinblick auf den Zusammenbau des Leistungs­ steuersystems bzw. auf die Fließbandherstellung dieser Systeme ist.

Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine elektromagnetische Servoeinheit angewendet werden kann, bei der ein elastisches Glied zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle vorgesehen ist, wobei sich das elastische Glied von dem Torsionsstab 21 unterscheidet.

Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Servoeinheit für ein Kraftfahrzeug eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle aufweist, die direkt aneinander gekoppelt werden können, während das Fahrzeug mit relativ hoher Geschwindigkeit fährt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung vorteilhafterweise auch im Zusammenhang mit einem hydraulischen Servosystem angewendet werden kann.

Claims (8)

1. Elektrische Servoeinheit mit
einer ersten und zweiten Welle (12, 7),
einer Drehmomenterfassungseinrichtung (5) zum Erfassen eines auf die erste Welle (12) ausgeübten Drehmoments und Erzeugen eines von dem erfaßten Drehmoment abhängigen Ausgangssignals, wobei die Drehmomenterfassungseinrichtung (5) ein elastisches Glied zur elastischen Verbindung der ersten und zweiten Welle (12, 7) aufweist, und
einer elektrischen Kraftunterstützungseinrichtung zum Erzeugen eines dem Ausgangssignal aus der Drehmomenterfassungseinrichtung (5) entsprechenden unterstützenden Drehmomentes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Servoeinheit eine selektive Kupplungseinrichtung zum wahlweisen direkten Kuppeln der zweiten Welle (7) an die erste Welle (12) für eine direkte Drehmoment­ Übertragung zwischen diesen Wellen (12, 7) oder an die elektrische Kraftunterstützungseinrichtung für eine Übertragung eines unterstützenden Drehmomentes auf die zweite Welle (7) aufweist.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Kraftunterstützungs­ einrichtung einen Elektromotor (2), eine Getriebeeinrich­ tung (3) zur Übertragung des unterstützenden Drehmoments des Elektromotors (2) auf die selektive Kupplungseinrichtung und eine Motorsteuereinrichtung (38) zum Steuern des Elektro­ motors (2) aufweist.

3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Gehäuse (1) vorgesehen ist, daß die erste und zweite Welle (12, 7) drehbar in dem Gehäuse (1) gelagert und koaxial zueinander angeordnet sind, daß das ela­ stische Glied einen koaxial zur zweiten Welle (7) angeordne­ ten, mit einem Ende mit der ersten Welle (12) und mit einem anderen Ende mit der zweiten Welle (7) verbundenen Torsions­ stab (21) aufweist, und daß der Elektromotor (2) einen in dem Gehäuse angeordneten und daran befestigten Feldmagneten (6) und einen mit dem Feldmagneten (6) zusammenwirkenden Rotor (2 a) aufweist, der eine drehbar an der zweiten Welle (7) gelagerte und koaxial dazu angeordnete dritte Welle (2 a-3) und eine an der dritten Welle (2 a-3) befestigte Ankerwick­ lung (2 a-2) aufweist.

4. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die selek­ tive Kupplungseinrichtung eine elektromagnetische Kupplung (4) und eine Kupplungssteuereinrichtung (40) zum Steuern der elektromagnetischen Kupplung (4) aufweist.

5. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die elektromagnetische Kupplung (4) eine erste Kupplungsplatte (22), die mit der zweiten Welle (7) durch mehrere Blattfedern (23) axial bewegbar verbunden ist, die um die zweite Welle (7) herum radial angeordnet sind und in bezug auf die auf die zweite Welle (7) wirkenden Torsionskräfte eine hohe Festigkeit aufweisen, und eine zweite Kupplungsplatte (31) aufweist, die drehbar auf der zweiten Welle (7) gelagert, daran axial fixiert und an­ triebsmäßig mit der Getriebeeinrichtung (3) der elektri­ schen Kraftunterstützungseinrichtung verbunden ist, wobei die zweite Kupplungsplatte (31) gegenüber der ersten Kupplungs­ platte (22) angeordnet ist,
daß ein der zweiten Kupplungsplatte (31) gegenüberliegender Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) derart von der zweiten Kupplungsplatte (31) beabstandet ist, daß die erste Kupplungsplatte (22) in den axialen Richtungen der ersten Welle (12) zwischen einer Eingriffsposition, in der die erste Kupplungsplatte (22) in Eingriff mit dem Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) steht, und einer Eingriffsposition, in der die erste Kupplungsplatte (22) in Eingriff mit der zweiten Kupplungsplatte (31) steht, bewegbar ist, wobei die erste Kupplungsplatte (22) durch die mehreren Blattfedern (23) normalerweise in Eingriff mit dem Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) gehalten ist, und
daß ein Solenoid (32) zum wahlweisen Bewegen der ersten Kupp­ lungsplatte (22) in den axialen Richtungen der ersten Welle (12) bewegbar ist.

6. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kupplungssteuereinrichtung (40) eine Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (39) zum Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Erzeugen eines davon ab­ hängigen Ausgangssignals und eine Betätigungseinrichtung (Solenoid 32) zum Betätigen der elektromagnetischen Kupplung (4) in Abhän­ gigkeit von dem Ausgangssignal der Geschwindigkeitserfassungs­ einrichtung (39) aufweist.

7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Betätigungseinrichtung (Solenoid 32) die elektromagnetische Kupplung (4) derart betätigbar ist, daß sie die erste Welle (12) und die zweite Welle (7) direkt miteinander verbindet, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs einen vorbestimmten Wert überschreitet und sie die zweite Welle (7) und die elektrische Kraftunterstützungseinrichtung miteinander verbindet, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs den bestimmten Wert nicht überschreitet.

8. Servolenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkrad und wenigstens einem lenkbaren Straßenrad, gekennzeichnet durch eine elektrische Servoeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Welle (12) operativ mit dem Lenkrad und die zweite Welle (7) operativ mit dem wenigstens einen lenkbaren Straßenrad ver­ bunden ist.