DE3539107C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine motorbetriebene Servolenkvorrichtung für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Servolenkvorrichtungen der gattungsgemäßen Art mit einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle sowie einem Elektromotor zum Antrieb der Ausgangswelle in Abhängigkeit eines auf die Eingangswelle einwirkenden Drehmomentes oder der Winkelstel­ lung der Eingangswelle sind beispielsweise der DE-OS 35 32 627 entnehmbar. Solche Fahrzeug-Servolenkvor­ richtungen besitzen ein federndes Element, beispielsweise einen Torsionsstab, um die Eingangs- und die Ausgangswelle miteinander in Wirkverbindung zu bringen. Derartige Servolenkvorrichtungen sind jedoch insofern nachteilig, als jede Änderung des durch die Ausgangswelle erzeugten Drehmomentes dazu tendiert, über das federnde Element auf die Eingangs­ welle übertragen zu werden, was beispielsweise durch eine kleine Drehmomentänderung, die sich durch den Fahrzeuglauf auf unebenen Boden ergibt, eine Drehmomentänderung aufgrund des kämmenden Eingriffs in einem Zahnstangengetriebe, das zur Drehmomentübertragung vom Motor auf das Gestänge verwen­ det wird, das Spiel eines zur Drehmomentübertragung verwen­ deten Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus sowie durch Bearbeitungsfehler bedingt sein kann.

Darüber hinaus ist es nicht einfach, die Größe des von der Ausgangswelle auf die Eingangswelle übertragenen Drehmomen­ tes (Reaktionsdrehmoment) zu ändern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile konventioneller motorbetriebener Servolenkvorrichtungen durch Schaffung einer solchen Vor­ richtung zu eliminieren, bei der die Übertragung unerwünsch­ ter Drehmomentänderungen von der Ausgangswelle auf die Eingangswelle verhindert werden können und bei der weiterhin das Reaktionsdrehmoment in einfacher Weise wählbar und änderbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Servolenkvorrichtung der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegen­ stand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt des mechanischen Aufbaus einer motorgetriebenen Servolenkvorrichtung (im folgenden auch einfach Servovorrichtung genannt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 von rechts gesehen;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle sowie eines sich bewegenden Kern eines Differenztransformators der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltungs­ anordnung der motorgetriebenen Servovorrichtung aus dem auch die Signalflußrichtungen in der Schaltungsanordnung ersichtlich sind;

Fig. 6 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild der elektrischen Schaltungsanordnung nach Fig. 5;

Fig. 7 ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment und dem Reaktionsdrehmo­ ment der Servovorrichtung ersichtlich ist;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer modifizierten elektri­ schen Schaltungsanordnung der motorgetriebenen Servovorrichtung, aus dem auch die Signalfluß­ richtungen in der Schaltungsanordnung ersichtlich sind;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Festle­ gung einer Steuerreaktionskraft sowie einen Fahr­ zeuggeschwindigkeitsdetektor in der elektrischen Schaltungsanordnung nach Fig. 8, wobei der Fahr­ zeuggeschwindigkeitsdetektor schematisch darge­ stellt ist; und

Fig. 10(A) bis 10(C) jeweils ein Diagramm, aus dem der Zu­ sammenhang zwischen Parametern in der modifizier­ ten elektrischen Schaltungsanordnung ersichtlich ist.

Eine erfindungsgemäße motorgetriebene Servovorrichtung enthält einen mechanischen Teil und einen elektrischen Teil. Der mechanische Teil wird zunächst anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Der mechanische Teil bzw. die mechani­ sche Vorrichtung umfaßt generell ein Gehäuse 1, eine Aus­ gangswelle 8 und eine Eingangswelle 12, welche in gegen­ sinnigen Richtungen vom Gehäuse 1 ausgehen, sowie einen ersten Motor 2 und einen zweiten Motor 3, welche mit der Ausgangswelle 8 bzw. der Eingangswelle 12 in Wirkverbin­ dung stehen. Das Gehäuse 1 ist an einem (nicht dargestell­ ten) Automobil-Chassis befestigt. Der erste Motor 2 und der zweite Motor 3 sind am Gehäuse 1 befestigt, indem ein Relativwinkeldetektor 4 sowie ein Geschwindigkeits­ reduzierungsmechanismus 5 untergebracht sind.

Die Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 sind koaxial zuein­ ander angeordnet. Gemäß Fig. 3 ist die Ausgangswelle 8 durch zwei Lager 16, 17 drehbar auf dem Gehäuse 1 gehaltert. Das Lager 16 ist auf einer Seite des Gehäuses 1 montiert, während das andere Lager 17 mittels einer Klammer 18 im Gehäuse 1 angeordnet ist. Die Eingangswelle 12 ist mittels eines auf der anderen Seite des Gehäuses 1 angeordneten Lagers 15 sowie mittels eines Lagers 20, das in einem Axialloch 8 a montiert ist, auf dem Gehäuse 1 gehaltert. Das Axialloch 8 a ist dabei in dem Ende der Ausgangswelle 8 vorgesehen, das der Eingangswelle 12 zugekehrt ist.

Der erste Motor 2 ist mittels Schrauben 6 auf dem Gehäuse 1 befestigt und besitzt eine Antriebswelle, auf der ein Ritzel 7 gehaltert ist, das mit einer auf der Ausgangs­ welle 8 befestigten Zahnscheibe kämmt. Das Ritzel 7 und die Zahnscheibe 9 bilden zusammen den Geschwindigkeits­ reduzierungsmechanismus 5. Der zweite Motor 3 ist mittels Flachkopfschrauben 10 am Gehäuse 1 befestigt und besitzt eine Antriebswelle, auf der eine Riemenscheibe 11 kleineren Durchmessers gehaltert ist. Ein endloser mit Zähnen ver­ sehener Riemen 14 ist um die Riemenscheibe 11 kleineren Durchmessers sowie eine auf der Eingangswelle 12 befestig­ te Riemenscheibe 13 größeren Durchmessers geführt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 3 besitzt die Ausgangswelle 8 ein Paar von Zungen 8 c auf ihrem der Eingangswelle 12 zugekehrten Ende, während die Eingangswelle 12 an ihrem der Ausgangswelle 8 zugekehrten Ende ein Paar von Zähnen 12 c besitzt. Bei zusammengebauter Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 lie­ gen die Zungen 8 c zwischen den Zähnen 12 c. Wird die Ein­ gangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 um einen ins Gewicht fallenden Winkel gedreht, so gelangen die Zungen 8 c mit den Zähnen 12 c in Eingriff. Normalerweise ist je­ doch zwischen den Zungen 8 c und Seien 12 b der Zähne 12 c ein Spiel vorhanden. Daher kann sich die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 drehen.

Der Relativwinkeldetektor 4 dient zur Erfassung der Winkel­ differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 12, 8. Dieser Relativwinkeldetektor enthält einen Differenztrans­ formator mit einer auf der Innenfläche des Gehäuses 1 befestigten Spulenanordnung 4 a und einem ringförmigen sich bewegenden Kern 4 b, der in der Spulenanordnung 4 a ange­ ordnet und auf die Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 auf­ gepaßt ist. Auf diesen Wellen sind Spulenanordnung und Kern miteinander gekoppelt. Der bewegliche Kern 4 b be­ sitzt ein Paar von axial ausgerichteten Langschlitzen 4 b-1, die sich diametral gegenüberliegen sowie ein Paar von Schlitzen 4 b-2, die sich diametral gegenüberliegen und in bezug auf die Achse des beweglichen Kerns 4 b geneigt sind. Diese Schlitze 4 b-2 sind im Abshand von 90° von den Schlitzen 4 b-1 angeordnet. An den Zähnen 12 c der Eingangs­ welle 12 befestigte Stifte 21 sind lose in die geneigten Schlitze 4 b-2 eingepaßt, während an den Zungen 8 c der Aus­ gangswelle 8 befestigte Stifte 22 lose in die Axialschlitze 4 b-1 eingepaßt sind. Wenn die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 gedreht wird, um zwischen ihnen einen Relativwinkel zu realisieren, so wird daher der beweg­ liche Kern 4 b in einer von der Richtung des Relativwin­ kels abhängigen Richtung in einem Intervall verschoben, das der Größe des Relativwinkels entspricht. Eine derar­ tige Verschiebung des beweglichen Kerns 4 b wird durch die Spulenanordnung 4 a und eine an diese angekoppelte, im folgenden noch zu beschreibende elektrische Schaltungsan­ ordnung erfaßt und in ein dem Relativwinkel entsprechendes elektrisches Signal überführt.

Das Gehäuse 1 ist durch mehrere Rippen 1 a verstärkt.

Ist die Servovorrichtung gemäß Fig. 1 in ein Automobil- Servolenkungssystem eingebaut, so ist das äußere Ende der Eingangswelle 12 über Nuten 12 d mit einer Welle eines Steuerrades gekoppelt, während das äußere Ende der Aus­ gangswelle 8 über Nuten 8 d mit einer Welle eines Zahnstan­ genmechanismus zur Betätigung der Spurstangen steuerbarer Räder gekoppelt. Dreht der Fahrer das Steuerrad zur Reali­ sierung einer Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8, so erfassen der Relativwinkeldetek­ tor 4 und die zugehörige elektrische Schaltungsanordnung die Winkeldifferenz und erzeugen ein elektrisches Signal, das ein Maß für diese Winkeldifferenz ist. Die elektrische Schaltungsanordnung verarbeitet dann das elektrische Sig­ nal zur Erzeugung von Steuersignalen zur Steuerung der Arbeitsweise des ersten und zweiten Motors 2, 3. Der erste Motor 2 erzeugt in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 ein Dreh­ moment, das über den Geschwindigkeitsreduzierungsmechanis­ mus 5 zur Steuerung der steuerbaren Räder auf die Ausgangs­ welle 8 übertragen wird. Der zweite Motor 3 erzeugt in Abhängigkeit von dem auf die Ausgangswelle 8 wirkenden Drehmoment ein Drehmoment und prägt dieses als Lenkreaktions­ kraft auf die Eingangswelle 12 auf. Somit wird durch den ersten Motor 2 das Ausgangsdrehmoment auf die Ausgangs­ welle 8 aufgeprägt und durch den zweiten Motor 3 das Steuerreaktionsdrehmoment bzw. Lenkreaktionsdrehmoment auf die Eingangswelle 12 aufgeprägt.

Fig. 5 zeigt den Signalfluß in der elektrischen Schaltungs­ anordnung. Ein durch den Relativwinkeldetektor 4 erzeugtes Signal wird in eine Relativwinkeldetektorschaltung 23 eingespeist, welche ein erstes dem Relativwinkel zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 proportionales Dreh­ momentsignal zur Steuerung der Größe des durch den ersten Motor 2 erzeugten Drehmomentes und ein von der Richtung einer Relativwinkelverschiebung der Eingangswelle 12 re­ lativ zur Ausgangswelle 8 abhängiges Richtungssignal er­ zeugt. Diese Signale werden in einen ersten Motortreiber 24 zur Erregung des ersten Motors 2 eingespeist, um ein Drehmoment für die Ausgangswelle 8 zu erzeugen. Als Funk­ tion eines in den ersten Motor 2 eingespeisten Ankerstroms erzeugt eine Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 ein zweites Drehmomentsignal zur Steuerung der Größe des durch den zweiten Motor 3 erzeugten Drehmomentes. Das zweite Drehmomentsignal von der Reaktionsdrehmoment-Steuerschal­ tung 25 und das Richtungssignal von der Relativwinkel-Detek­ torschaltung 23 werden in einen zweiten Motortreiber 26 zur Erregung des zweiten Motors 3 eingespeist, um ein Reaktionsdrehmoment für die Eingangswelle 12 zu erzeugen.

Die elektrische Schaltungsanordnung wird nachfolgend an­ hand von Fig. 6 im einzelnen beschrieben.

Die Spulenanordnung 4 a des Differenztransformators des Relativwinkeldetektors 4 umfaßt eine Primärwicklung 4 a-1 und ein Paar von auf den Seiten der Primärwicklung 4 a-1 angeordneten Sekundärwicklungen 4 a-2, 4 a-3. Die Primär­ wicklung 4 a-1 wird mit einer Wechselspannung konstanter Frequenz gespeist. Steht der bewegliche Kern 4 b in der Spulenanordnung 4 a in zentraler Stellung, so werden in den Sekundärwicklungen 4 a-2, 4 a-3 Spannungen gleicher Amplitude induziert. Wird der bewegliche Kern 4 b als Funktion der Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 12, 8 verschoben, so ändern sich die Amplituden der in den Sekundärwicklungen 4 a-2, 4 a-3 in­ duzierten Spannungen. Die Ausgangsströme der Sekundärwick­ lungen 4 a-2, 4 a-3 werden durch an die entsprechenden Sekun­ därwicklungen angekoppelte Gleichrichter 28 sowie Tiefpaß­ filter 29 gleichgerichtet und geglättet. Ausgangssignale Va, Vb der Tiefpaßfilter 29 werden in eine erste und zwei­ te Subtraktionsstufe 30, 31 eingespeist. Die erste Sub­ traktionsstufe 30 erzeugt ein der Differenz Va-Vb ent­ sprechendes Signal, während die zweite Subtraktionsstufe 31 ein der Differenz Vb-Va entsprechendes Signal erzeugt. Durch Einspeisung geeigneter Vorspannungen in die Elemente der ersten und zweiten Subtraktionsstufe 30, 31 wird das Ausgangssignal der ersten Subtraktionsstufe für den Fall Va < Vb Null und das Ausgangssignal der zweiten Subtrak­ tionsstufe 31 für den Fall Va<Vb Null. Das Ausgangs­ signal der ersten Subtraktionsstufe 30 ist daher propor­ tional zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8, wenn gemäß Fig. 2 eine Relativwinkel­ verschiebung im Uhrzeigersinn der Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 vorhanden ist. Das Ausgangssignal der zweiten Subtraktionsstufe 31 ist ein zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 proportionales Signal, wenn gemäß Fig. 2 eine Relativwinkelverschiebung zwi­ schen der Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 im Gegenuhrzeigersinn vorhanden ist.

Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Subtraktions­ stufe 30, 31 werden in einen Addierer 32 eingespeist, der das erste zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 proportionale Drehmomentsignal VT 1 er­ zeugt. Das Ausgangssignal der ersten Subtraktionsstufe 30 wird weiterhin in einen Eingang eines ersten Komparators 33 eingespeist, dessen weiterer Eingang geerdet ist. Wenn das Ausgangssignal der ersten Subtraktionsstufe 30 nicht Null ist, d. h., wenn die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangs­ welle 8 im Uhrzeigersinn gedreht wird, so besitzt ein Aus­ gangssignal VR des ersten Komparators 33 einen hohen Pe­ gel. Das Ausgangssignal der zweiten Subtraktionsstufe 31 wird in einen zweiten Komparator 34 eingespeist, der in gleicher Weise wie der erste Komparator 33 ausgebildet ist. Ein Ausgangssignal VL dieses zweiten Komparators 34 besitzt einen hohen Pegel, wenn die Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 im Gegenuhrzeigersinn ge­ dreht wird. Die Kombination dieser Richtungssignale VR, VL dient als Richtungssignal.

Im folgenden wird der erste Motortreiber 24 beschrieben. Dieser Motortreiber 24 wird vom ersten Drehmomentsignal VT 1 und vom Richtungssignal von der Relativwinkel-Detektor­ schaltung 23 zur Ansteuerung des ersten Motors 2 nach Art einer Zerhackersteuerung gespeist. Der erste Motortreiber 24 enthält einen Leistungskreis 24 a mit vier, als Brücke gespalteten NPN-Leistungstransistoren Tr 1, Tr 2, Tr 3, Tr 4, einem Transistortreiber 24 b zur Erzeugung eines Impuls­ zuges variabler Dauer zur Zerhackersteuerung sowie zur selektiven Einspeisung des Impulszuges in die Eingänge (Basen) zweier Transistoren der vier Leistungstransistoren Tr 1, Tr 2, Tr 3, Tr 4, sowie einen Gegenkopplungskreis 34 c zur Einspeisung eines Rückkopplungssignals in den Eingang des Transistortreibers 24 b, das ein Maß für den dem ersten Motor 2 zugeführten Stromes ist.

Der Rückkoppelkreis 24 c enthält einen Differenzverstärker mit einem das erste Drehmomentsignal VT 1 aufnehmenden nicht-invertierenden Eingang sowie einem das Rückkoppel­ signal aufnehmenden invertierenden Eingang. Dieser Dif­ ferenzverstärker 35 erzeugt ein der Differenz zwischen den genannten Eingangssignalen proportionales Ausgangssignal.

Der Transistortreiber 24 b enthält einen Komparator 36 sowie eine Transistorschaltstufe 48. Der Komparator 36 ist mit einem Eingang an den Ausgang des Differenzver­ stärkers 35 und mit einem weiteren Eingang an dem Aus­ gang eines Dreiecksignaloszillators 41 angekoppelt. Der Komparator 36 erzeugt ein Signal mit hohem Pegel, wenn der Augenblickswert des vom Differenzverstärker 35 kommen­ den Eingangssignals größer als der Augenblickswert des vom Dreiecksignal-Oszillator 41 kommenden Eingangssignals ist. Im anderen Falle erzeugt er ein Signal mit tiefem Pegel. Der Komparator 36 erzeugt daher eine Impulsfolge VP 1 mit einer vom Ausgangspegel des Differenzverstärkers 35 abhängigen Impulsdauer. Diese Impulsfolge VP 1 sowie das Richtungssignal werden in die Transistorschaltstufe 48 eingespeist. Diese Transistorschaltstufe 48 besitzt vier Ausgänge 48-1, 48-2, 48-3, 48-4. In Abhängigkeit vom Richtungssignal werden an zwei dieser vier Ausgänge der Eingangsimpulsfolge VP 1 entsprechende Impulsfolgen abge­ geben.

Der Leistungskreis 24 a besitzt einen an einer Quelle po­ sitiver Spannung liegenden Spannungsversorgungseingang +VC sowie ein Paar von mit dem ersten Motor 2 verbundenen Ausgängen OT. Der Leistungstransistor Tr 1 ist mit seinem Kollektor an den Spannungsversorgungseingang +VC, mit seinem Emitter an den Kollektor des Leistungstransistors Tr 3 und einen der Ausgänge OT sowie mit seiner Basis an den ersten Ausgang 48-1 der Transistorschaltstufe 48 ange­ koppelt. Der Leistungstransistor Tr 2 ist mit seinem Kol­ lektor an den Spannungsversorgungseingang +VC, mit sei­ nem Emitter an den Kollektor des Leistungstransistors Tr 4 und den anderen Ausgang OT und mit seiner Basis an den zweiten Ausgang 48-2 der Transistorschaltstufe 48 an­ gekoppelt. Der Leistungstransistor Tr 3 ist mit seinem Emitter an ein erstes Ende eines Widerstandes 47, dessen zweites Ende geerdet ist, und mit seiner Basis an den drit­ ten Ausgang 48-3 der Transistorschaltstufe 48 angekoppelt.

Der Leistungstransistor Tr 4 ist mit seinem Emitter an das erste Ende des Widerstandes 47 und mit seiner Basis an den vierten Ausgang 48-4 der Transistorschaltstufe 48 ange­ koppelt. Zwischen die Leistungstransistoren Tr 1, Tr 2, Tr 3, Tr 4 sind Dioden D 1, D 2, D 3, D 4 geschaltet, d. h., sie lie­ gen mit ihren Anoden und Kathoden an den Kollektoren bzw. den Emittern der Leistungstransistoren. Diese Dioden D 1 bis D 4 dienen zur Glättung des bei Zerhackersteuerung durch den ersten Motor 2 fließenden Stroms.

Der Rückkoppelkreis 24 c enthält ein Paar von Subtraktions­ stufen 37, 38 mit jeweils einem Paar von Eingängen, welche an die Ausgänge OT des Leistungskreises 24 a angekoppelt sind, so daß eine Spannung VK am Motor 2 in die Eingänge dieser Subtraktionsstufen 37, 38 eingespeist werden kann. Der Rückkoppelkreis 24 c enthält weiterhin einen Addierer 39 mit einem Paar von an die Ausgänge der Subtraktions­ stufen 37, 38 angekoppelten Eingängen sowie ein zwischen die Additionsstufe und den Differenzverstärker 35 gekop­ peltes Tiefpaßfilter 40. Die Subtraktionsstufen 37, 38 und der Addierer 39 sind funktionell mit den Subtraktions­ stufen 30, 31 und dem Addierer 32 in der Relativwinkel- Detektorschaltung 23 identisch.

Wird die Eingangswelle 12 gemäß Fig. 2 durch das Steuer­ rad im Uhrzeigersinn gedreht, so nimmt das Ausgangssignal VR des ersten Komparators 33 einen hohen Pegel an, wodurch die Basen der Leistungstransistoren Tr 1, Tr 4 mit Impuls­ folgesignalen gespeist werden, deren Impulsdauer proportio­ nal zur Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und Aus­ gangswelle 12, 8 ist. Die Leistungstransistoren Tr 1, Tr 4 werden durch die Impulsfolgesignale derart angesteuert, daß als Funktion dieser impulsförmigen Signale periodisch Ströme zwischen ihren Kollektoren und Emittern fließen. Der erste Motor 2 erzeugt ein Drehmoment, das über den Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus 50 auf die Aus­ gangswelle 8 übertragen wird, um diese im Uhrzeigersinn zu drehen. Wird die Eingangswelle 12 gemäß Fig. 2 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, so bewirkt das Ausgangssignal VL des zweiten Komparators 34 die Einspeisung von impuls­ förmigen Signalen in die Basen der Leistungstransistoren Tr 2, Tr 3, welche periodisch angesteuert werden, damit der erste Motor 2 ein Drehmoment für die Drehung der Ausgangs­ welle 8 im Gegenuhrzeigersinn erzeugen kann. Das durch den ersten Motor 2 erzeugte Ausgangsdrehmoment wird daher durch die Relativwinkelverschiebung zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 12, 8 gesteuert.

Im folgenden wird die Reaktionsdrehmoment-Steuerschaltung 25 beschrieben. Diese Schaltung 25 enthält ein Tiefpaßfilter 58, einen Verstärker 59 mit an den Ausgang des Tiefpaßfil­ ters 58 angekoppeltem Eingang sowie eine Zener-Diode 62, deren Kathode an den Ausgang des Verstärkers 59 und deren Anode an Erde liegt. Ein Eingang des Tiefpaßfilters 58 ist an das erste Ende des Widerstandes 47 im Leistungskreis 24 a des ersten Motortreibers 24 angekoppelt. Eine Spannung am Widerstand 47 wird durch den Ankerstrom des ersten Mo­ tors 2 bestimmt. Da der Ankerstrom ein pulsierender Strom ist, wird die Spannung am Widerstand 47 durch das Tiefpaß­ filter 58 geglättet. Diese geglättete Spannung wird durch den Verstärker 59 verstärkt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 59 kann aufgrund der Zener-Diode 62 einen vor­ gegebenen Spannungspegel nicht überschreiten. Das über die Zener-Diode 62 abgegebene Ausgangssignal des Verstärkers 59 ist daher in einem bestimmten Bereich proportional zu dem durch den ersten Motor 2 erzeugten Drehmoment. Dieses Ausgangssignal wird als zweites Drehmomentsignal VT 2 in den zweiten Motortreiber 26 eingespeist.

Im folgenden wird der zweite Motortreiber 26 beschrieben. Dieser zweite Motortreiber 26 wird durch das Richtungs­ signal von der Relativwinkel-Detektorschaltung 23 und das zweite Drehmomentsignal VT 2 von der Reaktionsdreh­ moment-Steuerschaltung 25 zur Erregung des zweiten Motors 3 mittels Zerhackersteuerung gespeist. Der zweite Motor­ treiber 26 enthält einen Leistungskreis 26 a, einen Tran­ sistortreiber 26 b und einen Rückkoppelkreis 26 c. Der Lei­ stungskreis 26 a und der Transistortreiber 26 b sind in ihrem Aufbau identisch mit den entsprechenden Schaltungs­ teilen des ersten Motortreibers 24 und werden daher hier im einzelnen nicht beschrieben. Die Komponenten des Lei­ stungskreises 26 a und des Transistortreibers 26 b sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die Komponenten des ersten Motortreibers 24 gekennzeichnet, wobei jedoch die Bezugs­ zeichen der genannten Komponenten des zweiten Motortreibers mit einem Strich versehen sind. Der Rückkoppelkreis 26 c enthält ein mit seinem Eingang an das erste Ende des Wider­ standes 47′ angekoppeltes Tiefpaßfilter 63 sowie einen mit einem invertierenden Eingang an den Ausgang des Tief­ paßfilters 63 angekoppelten Differenzverstärker 60. Ein nicht-invertierender Eingang des Differenzverstärkers 60 liegt zwecks Einspeisung des zweiten Drehmomentsignals VT 2 an der Kathode der Zener-Diode 62, während ein Aus­ gang des Differenzverstärkers 60 am positiven Eingang des Komparators 36′ des Transistortreibers 26 b liegt. Der Rückkoppelkreis 26 c arbeitet als Gegenkopplungskreis.

Wird die Eingangswelle 12 durch das Steuerrad im Uhrzei­ gersinn gedreht, so nimmt das Ausgangssignal VR einen hohen Pegel zur Einspeisung in die Basen der Leistungs­ transistoren Tr 2′, Tr 3′ an, wobei Impulsfolgesignale eine von dem zweiten Drehmomentsignal VT 2 abhängige Impulsdauer besitzen. Die Leistungstransistoren Tr 2′, Tr 3′ werden durch die Impulsfolgesignale angesteuert, so daß als Funktion dieser impulsförmigen Signale gepulste Ströme zwischen ihren Kollektoren und ihren Emittern fließen. Der zweite Motor 3 erzeugt ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn, das als Reaktionsdrehmoment über den Riemen 14 auf die Eingangs­ welle 12 übertragen wird, um diese im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Das der Eingangswelle 12 aufgeprägte Drehmoment ist proportional zu dem durch den ersten Motor 2 auf die Ausgangswelle 8 aufgeprägten Ausgangsdrehmoment, bis die­ ses Ausgangsdrehmoment einen vorgegebenen Wert erreicht. Um eine zu große Erhöhung des Reaktionsdrehmomentes zu verhindern, wird durch die Zener-Diode 62 ein Übersteigen eines bestimmten Pegels durch das zweite Drehmomentsignal VT 2 verhindert. Wird die Eingangswelle im Gegenuhrzeiger­ sinn gedreht, so nimmt das Signal VL einen hohen Pegel an, so daß zwischen den Kollektoren und den Emittern der Leistungstransistoren Tr 1′, Tr 2′ gepulste Ströme fließen. Der zweite Motor 3 erzeugt daher ein Drehmoment in Uhr­ zeigersinn, um der Eingangswelle 12 ein Reaktionsdrehmoment im Uhrzeigersinn aufzuprägen.

Der Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment und dem Eingangsdrehmoment ist in Fig. 7 dargestellt, in der auf der Abszisse die Größe des Ausgangsdrehmomentes und auf der Ordinate die Größe des Eingangsdrehmomentes (gleich der Größe des Reaktionsdrehmomentes) aufgetragen ist. Das durch den zweiten Motor auf die Eingangswelle 12 aufge­ prägte Reaktionsdrehmoment ist, wenn das Ausgangsdrehmo­ ment in einem bestimmten Bereich oberhalb von Null liegt, proportional zu diesem Ausgangsdrehmoment, und wird, nach­ dem das Ausgangsdrehmoment den bestimmten Bereich über­ schritten hat, auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten.

Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau der motorgetriebenen Servovorrichtung sind die Eingangs- und die Ausgangswelle 12, 8 mechanisch nicht gekoppelt, wobei das durch den er­ sten Motor 2 auf die Ausgangswelle 8 aufgeprägte Drehmo­ ment von der Relativwinkelverschiebung der Eingangswelle 12 relativ zur Ausgangswelle 8 abhängig ist, während der zweite Motor 3 auf der Basis des Ausgangsdrehmomentes des ersten Motors 2 erregt wird, um der Eingangswelle 12 ein Reaktionsdrehmoment aufzuprägen, das in dem bestimmten Bereich proportional zum Ausgangsdrehmoment ist.

Wirkt auf die Eingangswelle 12 kein Drehmoment mehr ein, so wird diese durch das Drehmoment des zweiten Motors 3 zurückgedreht, bis dessen Ankerstrom auf Null fällt.

Eine modifizierte elektrische Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand der Fig. 8, 9 und 10 (A) bis 10 (C) beschrieben. Der mechanische Teil, für den diese modifizierte elektrische Schaltungsanordnung verwendbar ist, ist der gleiche wie der in den Fig. 1 bis 4 beschriebene Teil. Gemäß Fig. 8 ist die Reaktionsdrehmoment-Steuerschal­ tung 25 (Fig. 5) durch eine Lenkreaktions-Steuerschaltung 25′ ersetzt, wobei an diese Schaltung ein Fahrzeugge­ schwindigkeitsdetektor 64 angekoppelt ist. Die übrige elektrische Schaltung bleibt unverändert. Es werden daher lediglich die Lenkreaktions-Steuerschaltung 25′ und der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 beschrieben.

Es sei darauf hingewiesen, daß die die modifizierte elektri­ sche Schaltungsanordnung enthaltende Servovorrichtung zur Verwendung in einem Automobil-Servolenksystem vorgesehen ist. Anstelle des vorstehend verwendeten Begriffes "Reaktionsdrehmoment" wird im folgenden der Begriff "Lenkreaktion" verwendet.

Fig. 9 zeigt die Lenkreaktions-Steuerschaltung 25′ und den Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 im einzelnen.

Der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor 64 enthält einen rotierenden Magneten 65, der mit einer an die Geschwin­ digkeit des die Servovorrichtung enthaltenden Fahrzeug angepaßten Drehzahl rotiert. Weiterhin enhhält dieser Detektor einen im Bereich des rotierenden Magneten 65 angeordneten Reed-Schalter 66, sowie einen an diesen an­ gekoppelten Frequenz/Spannungs-Wandler 67. Der Reed-Schal­ ter 66 wird mit einer von der Drehzahl des rotierenden Magneten 65 abhängigen Frequenz zyklisch geöffnet und geschlossen. Jedes Mal, wenn der Reed-Schalter 66 einen Zyklus seiner Öffnungs- und Schließfunktion durchläuft, erzeugt der Frequenz/Spannungs-Wandler 67 ein impuls­ förmiges Signal. Der Wandler 67 liefert dabei eine zur Frequenz der in ihm erzeugten impulsförmigen Signale, d.h., zur Fahrzeuggeschwindigkeit, proportionale Gleichspannung und speist diese Gleichspannung in die Lenkreaktions­ steuerschaltung 25′ ein.

Die Lenkreaktions-Steuerschaltung 25′ enthält einen Ad­ dierer 68, eine Konstantspannungsquelle 69, einen Gleich­ spannungsverstärker 70 sowie ein Tiefpaßfilter 58′. Die Ausgangsspannung des Frequenz/Spannungs-Wandlers 67 wird in den Addierer 68 eingespeist, indem der Ausgangsspannung des Wandlers 67 eine konstante Spannung VC von der Kon­ stantspannungsquelle 69 hinzuaddiert wird. Der Addierer 68 liefert eine Ausgangsspannung V (in Fig. 10(C) darge­ stellt), die durch die Beziehung V = VC + C 1 S gegeben ist, worin C 1 eine positive Konstante und S die Fahrzeug­ geschwindigkeit bedeutet. Die Ausgangsspannung V des Addierers 68 wird als Versorgungsspannung in den Gleich­ spannungsverstärker 70 eingespeist. Die Spannung am ersten Ende des Widerstandes 47 in der Leistungsstufe 24 a des ersten Motortreibers 24 wird durch das Tiefpaßfilter 58′ geglättet und als geglättete Spannung V 1 in den Gleich­ spannungsverstärker 70 eingespeist. Dieser liefert eine Ausgangsspannung VO für den zweiten Motorteiber 26.

Das in den Gleichspannungsverstärker 70 eingespeiste Ein­ gangssignal VI ist proportional zu dem durch den ersten Motor 2 erzeugten Drehmoment, während die Ausgangsspan­ nung VO des Gleichspannungsverstärkers 70 zur Festlegung der durch den zweiten Motor 3 auf die Eingangswelle 12 aufzuprägenden Lenkreaktion dient. Solange der Gleich­ spannungsverstärker 70 nicht in der Sättigung arbeitet, ist seine Ausgangsspannung VO etwa proportional zur Ein­ gangsspannung VI. Ist die Fahrzeuggeschwindigkeit klein, so ist die Versorgungsspannung für den Gleichspannungs­ verstärker 70 klein, so daß dieser gesättigt ist, selbst wenn die Eingangsspannung VI einen relativ kleinen Wert (kleiner Pegel) besitzt. Die Ausgangsspannung VO besitzt daher einen relativ kleinen, im wesentlichen konstanten Pegel in dem Bereich, indem die Eingangsspannung VI größer als der kleine Pegel ist. Ist die Fahrzeuggeschwin­ digkeit groß, so ist die Versorgungsspannung für den Gleichspannungsverstärker 70 groß, so daß dieser lediglich gesättigt ist, wenn die Eingangsspannung VI in einem Be­ reich liegt, der größer als ein relativ großer Wert (hoher Pegel) ist. Fig. 10 (A) zeigt den Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment und der Ausgangsspannung VO des Gleichspannungsverstärkers 70 für Fahrzeuggeschwindigkeiten S 1, S 2, S 3 (S 1<S 2<S 3). Das Ausgangsdrehmoment und der Absolutwert der Lenkreaktion hängen gemäß dem Diagramm nach Fig. 10 (C) zusammen. Besitzt das Ausgangsdrehmoment einen relativ großen Wert, so wird die durch den zweiten Motor 3 erzeugte Lenkreaktion mit zunehmender Fahrzeug­ geschwindigkeit größer. Der Fahrer nimmt daher einen größe­ ren Widerstand bei der Drehung des Steuerrades wahr. Fig. 10 (C) zeigt charakteristische Kurven VL, VM, VH für klei­ ne, mittlere und große Fahrzeuggeschwindigkeiten.

Das Drehmoment, das der Eingangswelle 12 durch den zwei­ ten Motor 3 aufgeprägt werden kann, kann durch weitere Abwandlung der Lenkreaktions-Steuerschaltung frei gewählt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Eingangs- und die Ausgangswelle mechanisch nicht gekoppelt, wobei auf der Basis der Winkeldifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle durch den ersten Motor das große Drehmoment auf die Ausgangswelle aufgeprägt wird, wäh­ rend durch den zweiten Motor das Reaktionsdrehmoment auf die Eingangswelle aufgeprägt wird. Jede sich aus Störungen ergebende Änderung des Drehmomentes der Ausgangswelle wird daher nicht auf die Eingangswelle übertragen. Wird die er­ findungsgemäße Servovorrichtung in einem motorgetriebenen Servolenkungssystem verwendet, so wird dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl vermittelt. Das auf die Eingangswelle einwirkende Reaktionsdrehmoment kann durch Steuerung der Ausgangsleistung des zweiten Motors entsprechend so ju­ stiert werden, daß ein zweckmäßiges Reaktionsdrehmoment in einfacher Weise gewählt werden kann.

Claims (6)

1. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung für Fahrzeuge mit einer mit dem Lenkrad verbundenen Eingangswelle (12) und einer mit gelenkten Rädern verbundenen Ausgangswelle (8), einem ersten, die Ausgangswelle (8) antreibenden Motor (2), einem mit der Eingangs- und Ausgangswelle (12, 8) in Wirkverbindung stehenden Detektor (4) zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit der relativen Winkelver­ drehung der Eingangs- und Ausgangswelle (12, 8) zueinan­ der und einer elektrischen Schaltungsanordnung (Fig. 6) zur Zuführung von elektrischer Leistung zum ersten Motor (2) zwecks Aufprägung eines Ausgangsdrehmoments auf die Ausgangswelle (8) als Funktion des Ausgangssignals des Detektors (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Servolenkvorrichtung einen zweiten, die Eingangswelle (12) antreibenden Motor (3) aufweist und daß durch die elektrische Schaltungsanord­ nung (Fig. 6) elektrische Leistung zum zweiten Motor (3) zwecks Aufprägung eines Reaktionsdrehmoments auf die Eingangswelle (12) als Funktion der dem ersten Motor (2) zugeführten Leistung zuführbar ist.

2. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und die Ausgangswelle (12, 8) koaxial zueinander angeordnet sind, daß der Detektor (4) eine Einrichtung (4 a, 4b) zur Erfassung der relativen Winkelver­ drehung der Eingangswelle (12) in bezug auf die Ausgangswelle (8) sowie zur Erzeugung eines von der relativen Winkelstellung abhängigen Signals aufweist und daß das Ausgangsdrehmoment und das Reaktionsdrehmoment gegensinnig zueinander gerichtet sind.

3. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4 a, 4 b) des Detektors (4) als zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle (12, 8) vorgesehener Differenztransformator ausgebildet ist und daß eine mit dem Differenztransformator zusammenwirkende Relativwinkel-Detektorschaltung (23) zur Erzeugung eines ein Maß für die Größe der relativen Winkelverschiebung darstellenden Signals sowie eines die Richtung der relativen Winkelverschiebung darstellenden Signals vorgesehen ist.

4. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schal­ tungsanordnung (Fig. 6) einen ersten Motortreiber (24) zur Ansteuerung des ersten Motors (2), einen zweiten Motor­ treiber (26) zur Ansteuerung des zweiten Motors (3) sowie eine an den ersten und zweiten Motortreiber (24, 26) angekoppelte Schaltung (25, 25′) zur Festlegung einer Steuerreaktionskraft aufweist und daß diese Schaltung (25, 25′) von einem vom ersten Motor­ treiber (24) gelieferten und ein Maß für die dem ersten Motor (2) zugeführte Leistung darstellenden Signal zur Erzeugung eines den zweiten Motortreiber (28) steuernden Signals ange­ steuert ist.

5. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Motortreiber (24, 26) angekoppelte Schaltung (25) einen das Signal vom ersten Motortreiber (24) aufnehmenden Verstärker (59) sowie eine das Ausgangssignal des Verstärkers (59) auf einen kon­ stanten Wert begrenzende Zener-Diode (62) aufweist und so ausgebildet ist, daß sie ein dem Ausgangsdrehmoment im we­ sentlichen proportionales Signal, wenn das Ausgangsdrehmoment in einem Bereich bis zu einem vorgegebenen Wert liegt, und ein konstantes Signal, wenn das Ausgangsdrehmoment in einem den vorgegebenen Wert übersteigenden Bereich liegt, zu erzeu­ gen vermag.

6. Motorbetriebene Servolenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Motortreiber (24, 26) angekoppelte Schaltung (25′) einen vom Signal des ersten Motortreibers (24) angesteuerten Verstärker (70) ent­ hält und daß an den Verstärker (70) ein Geschwindigkeits­ detektor (64) zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie zur Begrenzung eines Ausgangssignals des Verstärkers (70) auf einen von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen Wert angekoppelt ist.