DE3803344C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomenterfassungsvorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den JP-GM-Offenlegungsschriften Nr. 171 670/1980 und 171 671/1980 sind Drehmomenterfassungsvorrichtungen eines elektrischen Servolenksystems offenbart.

Die Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß der JP-GM- 55-171 670 umfaßt eine mit einem Lenkrad verbundene Eingangswelle, die einen unteren Endabschnitt hat, welcher im oberen Endabschnitt eine Hülse oder Muffe aufgenommen ist, die ihrerseits einen unteren Endabschnitt aufweist, der drehfest mit einem oberen Ende einer mit einem Lenkgetriebe verbundenen Abtriebswelle verbunden ist. Die Muffe wird durch eine Feder in ihrer Lage gehalten. Der obere Endabschnitt der Muffe hat eine axial geneigte Führungsnut, während der untere Endabschnitt der Eingangswelle mit einem in der Führungsnut aufgenommenen Führungszapfen versehen ist.

Aus der JP-GM-55-171 671 ist eine Drehmomenterfassungsvorrichtung bekannt, bei der eine mit dem Lenkrad verbundene Eingangswelle an ihrem unteren Endabschnitt drehbar in den oberen Endabschnitt einer Abtriebswelle eingepaßt ist und einen axial geraden Schlitz hat, während der obere Endabschnitt der Abtriebswelle mit einem axial geneigten Schlitz versehen ist. Durch die beiden Schlitze erstreckt sich ein Führungszapfen, der mit einem die Abtriebswelle im Abstand umgreifenden Ring verbunden ist. Eine Feder hält den Ring in seiner Lage.

Wenn ein Lenkdrehmoment auf die Eingangswelle aufgebracht wird, so bewegt sich der Führungszapfen längs der als Steuerkurve wirkenden Führungsnut bzw. längs der beiden Schlitze so, daß die Muffe bzw. der Ring axial zur Welle bewegt werden. Im Radialabstand zu der Muffe bzw. dem Ring sind zwei Schalter angeordnet, die die axiale Bewegung der Muffe oder des Rings erfassen und in Abhängigkeit von diesem Signal den Antrieb eines Elektromotors steuern.

Da der Führungszapfen gleitend in der jeweiligen, als Steuerkurve wirkenden Führungsnut geführt ist, besteht die Gefahr, daß sich der Führungsbolzen verklemmt und dadurch die störungsfreie Bewegung der Muffe oder des Rings verhindert wird, was eine Vibration des Elektromotors zur Folge hat. In der JP-Patent-OS Nr. 177 773/1983 ist eine verbesserte, gattungsgemäße Drehmomenterfassungsvorrichtung vorgeschlagen, die eine abgestufte Welle hat, welche mit einer Eingangswelle verbunden ist und ein diametral vergrößertes Teil aufweist, das mit einer Rolle versehen ist. An einer Abtriebswelle ist eine mit dieser drehbare Muffe vertikal verschiebbar angebracht. In einem Mantelabschnitt der Muffe ist eine axial geneigte Nut ausgebildet, in der die Rolle der Eingangswelle geführt ist. Wenn die Eingangswelle mit einem Lenkdrehmoment beaufschlagt wird, bewegt sich die Rolle längs der geneigten Nut, so daß die Muffe in Axialrichtung der Welle bewegt wird. Ein Potentiometer erfaßt diese axiale Bewegung und gibt ein Drehmomentsignal ab, um einen Elektromotor zu steuern.

Bei der verbesserten Drehmomenterfassungsvorrichtung hat die Rolle einen derart geringen Gleitwiderstand, daß eine Blockierung der Führung vorgebeugt ist. Bei einem Ausfall des Elektromotors wird jedoch die Vertikalbewegung der Muffe durch die Rolle begrenzt und die Drehung der Eingangswelle über die Rolle auf die Abtriebswelle übertragen. Das bedeutet, daß die Rolle selbst ein mechanisches Verriegelungsglied darstellt, auf das bei einem Ausfall des Elektromotors eine große äußere Kraft einwirkt, was zu einer Verformung, Bruch oder andersartiger Beschädigung der Rolle und damit zu einem Ausfall der Lenkung führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Drehmomenterfassungsvorrichtung derart weiterzubilden, daß auch bei Ausfall des Elektromotors eine zuverlässige Funktion gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Führung des mit der Antriebswelle verbundenen Bolzens in Schlitzen der Abtriebswelle und des an einem Endabschnitt des Bolzens befestigten Lagers in einer Spiralnut der auf der Abtriebswelle axial verschiebbaren Schiebemuffe, wobei die Spiralnut eine geringfügig größere Länge als die Schlitze aufweist, wird die Axialbewegung der Schiebemuffe durch die Anlage des Bolzens an den Enden des Schlitzes begrenzt, während das Lager nicht an dem entsprechenden Endabschnitt der Spiralnut anliegt. Bei einem Ausfall des Elektromotors wird so keine Kraft über das Lager auf die Abtriebswelle übertragen, so daß einer Beschädigung der Drehmomenterfassungsvorrichtung zuverlässig vorgebeugt wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an­ hand der bevorzugten Ausführungsform erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Drehmomenterfassungsvorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Eingangs­ welle und ein elastisches Bauteil aus Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht eines Mechanismus zur Umwandlung eines Drehmoments in eine axiale Kraft aus Fig. 1;

Fig. 4 den Schnitt längs der Linie A-A in der Fig. 3;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Kragarms aus Fig. 1;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer bekannten Brüc­ kenschaltung mit Dehnungsmeßstreifen;

Fig. 7 die Abhängigkeit der einem erfaßten Drehmoment entsprechenden Ausgangsspannung von der Bewegung einer Schiebemuffe.

Die in der Fig. 1 gezeigte Drehmomenterfassungsvorrichtung umfaßt ein an einer Fahrzeugkarosserie befestigtes Gehäuse 11, das aus vier Gehäuseteilen 11 a-11 d besteht, die miteinander ver­ schraubt oder verschweißt sind. Eine mit einem (nicht gezeig­ ten) Lenkrad verbundene Eingangswelle 12 wird von einem Ku­ gellager 13 im Gehäuseteil 11 a drehbar gelagert und hat einen Ringflansch 12 a in einem mittigen Längsabschnitt. Eine mit einem (nicht gezeigten) Lenkgetriebe in Verbindung stehende Abtriebswelle 14 hat ein oberes Ende, in dem eine axiale Bohrung 14 a ausgebildet ist, die den unteren Endabschnitt der Eingangswelle 12 im Abstand umgreift. Die Abtriebswelle 14 hat einen mittigen Abschnitt sowie einen unteren Endabschnitt, die durch Kugellager 15 und 16 jeweils in den Gehäuseteilen 11 b bzw. 11 c drehbar gelagert sind.

Im untersten Gehäuseteil 11 c befindet sich ein Untersetzungs­ getriebe 18, das die Abtriebsleistung eines an das Gehäu­ seteil 11 b geschraubten Elektromotors 17 von dessen Abtriebs­ welle 17 a zur Abtriebswelle 14 hin untersetzend überträgt. Das Getriebe 18 umfaßt ein koaxial mit der Motorabtriebs­ welle 17 a verbundenes Zahnrad 18 a, ein von einer durch Kugel­ lager 19 und 20 in den Gehäuseteilen 11 b bzw. 11 c drehbar gelagerten Zwischenwelle 21 getragenes Zahnrad 18 b, ein an der Zwischenwelle 21 koaxial zum Zahnrad 18 b gehaltenes Zahn­ rad 18 c und ein an der Abtriebswelle 14 koaxial zu dieser befestigtes Zahnrad 18 d. Das Zahnrad 18 a kämmt mit dem Zahn­ rad 18 b, während das Zahnrad 18 c mit dem Zahnrad 18 d kämmt.

Im obersten Gehäuseteil 11 a ist ein Drehmoment-Umwandlungsmechanismus 22 zur Um­ wandlung eines Drehmoments in eine axiale Kraft vorgesehen, um zwischen den Wellen 12 und 14 eine Winkelbewegung hervorzurufen, die dem an der Eingangs­ welle aufgebrachten Drehmoment entspricht. Der Mechanismus 22 umfaßt einen Drehmomentausgleich-Detektor 22 A und einen Drehmoment-Umwandler 22 B.

Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt der Drehmomentausgleich-Detektor 22 A eine im wesent­ lichen C-förmige Drahtfeder 23, die horizontal angeordnet ist und die Eingangswelle 12 radial umschließt, einen am Ringflansch 12 a der Eingangswelle 12 befestigten Zapfen 24 und einen an einer um die Abtriebswelle 14 herum gehaltenen Platte 25 befestig­ ten Zapfen 26. Die Platte 25 ist mit der Abtriebswelle 14 drehfest verschraubt. Die Feder 23 weist ein im wesentlichen kreisförmiges, um eine Nabe 12 b der Eingangswelle 12 herum angeordnetes Teil 23 c und ein Paar von seitwärts vorstehenden, paralle­ len Endstücken 23 a sowie 23 b auf, zwischen denen die Zapfen 24 und 26 in vertikaler Ausrichtung gehalten sind. Der Zapfen 26 liegt zwischen der Nabe 12 b und dem Zapfen 24. Zwischen der Nabe 12 b und der Abtriebswelle 14 sind eine Hülse und eine Beilagscheibe angeordnet.

Solange auf die Eingangswelle 12 kein Drehmoment aufge­ bracht wird, befindet sich die Feder 23 in einer Lage, daß ihre Endstücke 23 a und 23 b zueinander einen minimalen Abstand haben, und die Eingangs- sowie Abtriebswelle 12 bzw. 14 be­ halten ihre Ausgangslage bei, in der keine Winkelbewegung vorliegt. Wenn auf die Eingangswelle 12 ein Drehmoment aufgebracht wird, so wird es durch den Zapfen 24 auf die Feder 23 übertragen, so daß sich er Abstand der Endstücke 23 a und 23 b vergrößert. Die elastische Verformung der Feder 23 erzeugt zwischen der Eingangs- und der Abtriebswelle 12 bzw. 14 eine Winkelbewegung, die dem an der Eingangswelle 12 aufgebrachten Drehmoment entspricht.

Der Drehmoment-Umwandler 22 B ist unterhalb des Drehmoment­ ausgleich-Detektors 22 A angeordnet. Der Umwandler 22 B umfaßt eine um die Abtriebswelle 14 herum angeordnete Schiebemuffe 28, einen nahe dem unteren Ende der Eingangswelle 12 an die­ ser befestigten waagerechten Bolzen 29 mit zwei radial aus­ wärts ragenden Endabschnitten 29 a und 29 b, ein Paar von gleichgroßen in der den unteren Endabschnitt der Ein­ gangswelle 12 umgreifenden zylindrischen Wand der Abtriebswelle 14 aus­ gebildeten Schlitzen 14 b und 14 c ein an dem einen Endabschnitt 29 a des Bolzens 29 befe­ stigtes Lager 30 und eine die Wand der Schiebemuffe 28 durch­ setzende Spiralnut 28 b, in der das Lager 30 drehbar gehalten ist. Die Schiebemuffe 28 ist mit einer vertikalen Nut oder Kerbe 28 a versehen, in der ein Stift 27, der von der Abtriebs­ welle 14 radial auswärts vorsteht, vertikal verschiebbar aufgenommen ist. Die Schlitze 14 b und 14 c sind mit Bezug zur Längsachse der Abtriebswelle 14 zueinander symmetrisch und verlaufen unter einem Winkel gegenüber der Waagerech­ ten. Die Endabschnitte 29 a und 29 b des Bolzens 29 befinden sich jeweils in den Schlitzen 14 c bzw. 14 b und sind mit den jeweils diametral einander entgegengesetzten Endabschnitten der Schlitze 14 c und 14 b zur Anlage zu bringen, wenn die Ein­ gangswelle gedreht wird. Die Spiralnut 28 b verläuft parallel zu den Schlitzen 14 b sowie 14 c und hat eine Länge, die gering­ fügig größer ist als diejenige dieser Schlitze 14 b, 14 c. Die Spiralnut 28 hat eine Breite, die etwas größer ist als der Außendurchmesser des äußeren Laufrings des Lagers 30. Der Endabschnitt 29 a des Bolzens 29 erstreckt sich durch den Schlitz 14 c in die Nut 28 b. Die Schiebemuffe 28 weist ein Paar von radial auswärts ragenden Ringbunden 28 e und 28 f auf, die voneinander vertikal beabstandet sind.

Der längs der Kerbe 28 a vertikal verschiebbare Stift 27 er­ möglicht eine Vertikalbewegung der Schiebemuffe 28 längs der Abtriebswelle 14, verhindert jedoch eine Drehung dieser Muffe um die Abtriebswelle. Eine Zylinderhülse 31 ist um die Schiebemuffe 28 herum angeordnet, um den Bolzen 29 in seiner Lage zu halten.

In der Ausgangsposition, d. h. wenn kein Drehmoment von der Eingangs- auf die Abtriebswelle 12 bzw. 14 übertragen wird, befindet sich das Lager 30 in der Mitte der Spiralnut 28 b, wobei es von den einander entgegengesetzten Enden 28 c und 28 d dieser Nut gleich beabstandet ist, wie die Fig. 3 zeigt. Wird als Ergebnis des Aufbringens eines Lenkdrehmoments auf die Eingangswelle 12 eine Win­ kelbewegung zwischen den Wellen 12 und 14 hervorgerufen, so wird das Lager 30 zu einer Drehbewegung längs der Spiral­ nut 28 b gebracht, die zu einer axialen Bewegung der Schiebemuffe 28 längs der Abtriebswelle 14 um eine Strecke, die von der erzeugten verdrehten Winkelbewegung abhängig ist, führt. Als Ergebnis dessen werden auch der obere sowie der untere Ringbund 28 e bzw. 28 f der Schiebemuffe 28 längs der Abtriebswelle 14 be­ wegt.

Jeder der Endabschnitte 29 a und 29 b des Bolzens 29 erreicht das eine oder das andere Ende der Schlitze 14 c oder 14 b, bevor das Lager 30 das Ende 28 c oder 28 d der Spiralnut 28 b erreicht, so daß die axiale Bewegung der Schiebemuffe 28 in geeigneter Weise begrenzt wird und die Drehung der Eingangswelle 12 auf die Abtriebswelle 14 übertragen werden kann, wenn der Elektromotor 17 ausge­ fallen ist.

Die Ringbunde 28 e und 28 f der Schiebemuffe 28 begrenzen zwi­ schen sich eine Kehle 28 g, wie die Fig. 3 zeigt. Gemäß Fig. 5 trägt ein Krag­ arm 32 an seinem einen Ende eine Stahlkugel 33, die in der Kehle 28 g angeordnet ist. Die Stahlkugel 33 dient der Verbindung des Kragarmes 32 mit der Schiebemuffe 28, wobei der Reibwiderstand aufgrund der Vertikal­ bewegung der Ringbunde 28 e und 28 f auf ein Minimum reduziert ist.

Das andere Ende des Kragarmes 32 ist in ein mit dem Gehäuse­ teil 11 d verschraubtes Bauteil eingeschraubt, so daß der Kragarm 32 genau positioniert werden kann. Am Kragarm 32 sind vier Dehnungsmeßstreifen 34 a, 34 b, 34 c und 34 d ange­ bracht, die eine Widerstandsbrücke bilden und auf gegenüber­ liegenden Seiten eines Zwischenabschnitts des Kragarmes an­ geklebt sind, wobei dieser Abschnitt etwas näher zum einge­ schraubten Ende als zum freien Ende des Kragarmes 32, an dem die Kugel 33 gehalten ist, liegt. Die Dehnungsmeßstrei­ fen 34 a-34 d sind auf einer Isolierlage angebracht, die die Oberfläche des Kragarmes 32 bedeckt, und sie erzeugen ein minimales Ausgangssignal, wenn keine Bewegung der Schiebemuffe 28 auf das freie Ende des Kragarmes 32 übertragen wird, und ein maximales Ausgangssignal, wenn die maximale Bewegung der Schiebemuffe 28 am freien Ende des Kragarmes 32 zur Wirkung kommt.

Der Kragarm 32 kann aus Phosphorbronze gebildet sein. Jeder der Dehnungsmeßstreifen 34 a-34 d kann an seiner Oberfläche mit einer feuchtigkeitsbeständigen Substanz bedeckt sein, die den Streifen gegen Öl und Feuchtigkeit schützt, und kann darüber hinaus eine Beschichtung mit Silikongummi od. dgl. tragen.

Die Dehnungsmeßstreifen 34 a-34 d bilden in bekannter Weise eine Brückenschaltung, die in Fig. 6 gezeigt ist und eine Stromquelle E mit konstanter Spannung sowie einen Verstär­ ker AMP umfaßt. Die Schaltung, der Kragarm 32 und die Kugel 33 bilden einen Detektor oder eine Nachweiseinrichtung 35, um die axiale Bewegung der Schiebemuffe 28 elektrisch zu erfassen.

Die Fig. 7 zeigt eine Ausgangsspannung, die dem an der Ein­ gangswelle 12 erfaßte Drehmoment entspricht. Eine gewünschte Beziehung kann erhalten werden, wenn das Verstärkungsverhältnis des Verstärkers, die Vorspannung, der Widerstand der Dehnungsmeßstreifen usw. in geeigneter Weise gewählt werden.

Wenn durch den Fahrer über das mit der Eingangswelle ver­ bundene Lenkrad ein Lenkdrehmoment aufgebracht wird, so wird die Feder 23 elastisch verformt, um eine dem Drehmo­ ment zwischen der Eingangs- und der Abtriebswelle 12 bzw. 14 entsprechende Winkelbewegung zu erzeugen. Diese Winkelbewe­ gung wird durch die Steuerkurvenwirkung des Lagers 30 und der Spiralnut 28 b in eine axiale Bewegung der Schiebemuffe 28 umgewandelt. Die axiale Bewegung der Schiebemuffe wird durch die Kugel 33 auf den Kragarm 32 übertragen, wodurch ein die Größe und die Richtung des an der Eingangswelle 12 aufgebrachten Drehmoments kennzeichnendes Ausgangssignal durch die Dehnungsmeßstreifen 34 a-34 d erzeugt wird. Dieses Ausgangssignal wird einem (nicht gezeigten) Steuergerät zugeführt, das einen dem Elektromotor 17 zuzuführenden Strom regelt. Dadurch wird der Motor 17 angetrieben, wobei seine Drehung durch das Untersetzungsgetriebe 18 auf die Ab­ triebswelle 14 übertragen wird, um die Lenktätigkeit des Fahrers zu unterstützen.

Die Begrenzung der axialen Bewegung der Schiebemuffe 28 längs der Abtriebswelle 14 und die Übertragung der Drehung der Eingangswelle 12 auf die Abtriebswelle 14 im Fall eines Versagens des Elektromotors 17 werden durch die End­ abschnitte 29 a und 29 b des Bolzens 29 bewirkt, die jeweils die zuge­ ordneten Endabschnitte der Schlitze 14 a bzw. 14 b erreichen, bevor der Außenumfang des Lagers 30 eines der Enden 28 c, 28 d der Spiralnut 28 b erreicht. Damit ist eine Beschädigung des Lagers 30 durch die Übertragung des Drehmoments der Eingangswelle 12 auf die Abtriebswelle ausgeschlossen, so daß auch bei Ausfall des Elektromotors 17 eine zuverlässige Funktion der Lenkeinrichtung gewährleistet ist.

Claims (4)

1. Drehmomenterfassungsvorrichtung, mit einem Dreh­ moment-Umwandlungsmechanismus zur Wandlung eines an einer Eingangswelle aufgebrachten Drehmoments in eine axiale Kraft zwischen der Eingangswelle und einer zu dieser koaxialen Abtriebswelle, wobei um die Abtriebswelle herum eine durch den Drehmoment-Umwandlungsmechanismus axial längs der Abtriebswelle bewegbare und mit der Abtriebswelle drehfest verbundene Schiebemuffe angeordnet ist, in deren Wand eine Spiralnut ausgebildet ist, in der ein mit der Eingangswelle verbundenes Lager geführt ist, mit einer die axiale Bewegung der Schiebemuffe elektrisch erfassenden Nachweiseinrichtung sowie einem elastischen, die Eingangswelle in ihre neutrale Lage zurückführenden Bauteil, gekennzeichnet durch einen sich rechtwinklig durch die Eingangswelle (12) erstreckenden Bolzen (29) mit zwei von der Eingangswelle vorstehenden Endabschnitten (29 a, 29 b), von denen einer (29 a) das Lager (30) trägt, ein Paar von in der Abtriebswelle (14) ausgebildeten Schlitzen (14b, 14 c) mit jeweils zwei Enden, wobei jeder Endabschnitt des Bolzens (29) in einem der Schlitze (14 b, 14 c) angeordnet und mit jedem Schlitzende in Anlage bringbar ist und die Schlitze (14 b, 14 c) sowie die Spiralnut (28 b) zueinander parallel sind und die Spiralnut (28 b) eine geringfügig größere Länge als jeder der Schlitze (14 b, 14 c) hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmoment-Umwandlungsmechanismus (22) in einem Gehäuse (11) angeordnet ist und die Nachweiseinrichtung (35) einen Kragarm (32) mit einem ersten, am Gehäuse (11) festen Ende sowie mit einem zweiten, an der Schiebemuffe (28) gelagerten Ende, so daß der Kragarm mit der axialen Bewegung der Schiebemuffe in jeder von zwei Richtungen biegbar ist, und eine Mehrzahl von am Kragarm (32) gehaltenen Dehnungsmeßstreifen (34 a, 34 b, 34 c, 34 d) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Bauteil (23) eine im wesentlichen C-förmige Drahtfeder ist, die ein im wesentlichen kreisförmiges, die Eingangswelle (12) umgreifendes Teil (23 c) sowie ein Paar von parallelen, vom kreisförmigen Teil radial nach außen ragenden Endstücken (23 a, 23 b) aufweist, und daß zwei Zapfen (24, 26), von denen einer von der Eingangswelle (12) und der andere von der Abtriebswelle (14) vorragt, zwischen den Endstücken der Feder (23) gehalten sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (14 b, 14 c) mit Bezug zur Längsachse der Abtriebswelle (14) zueinander symmetrisch sind.