DE3939343A1 - Elektrische servolenkeinrichtung fuer motorfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Servolenkeinrich­ tungen für Motorfahrzeuge, d.h. Fahrzeuge mit Eigenantrieb.

Ein typisches Beispiel einer elektrischen Servolenk­ einrichtung, d.h. Lenkeinrichtung mit Lenkhilfe, ist z.B. im offengelegten japanischen Gebrauchsmuster Nr. 60 (1985)­ 1 88 064 beschrieben, wobei hierbei Vorderräder durch Über­ tragung des Drehmoments einer Lenkradsäule auf ein Lenk­ gehäuse, d.h. einen Lenkgetriebekasten, gelenkt werden. In dieser bekannten elektrischen Servolenkeinrichtung wird das Drehmoment eines Elektromotors über eine Freilaufkupp­ lung zur Herabsetzung des Lenkkraftaufwandes vom Fahrer auf die Lenkradwelle übertragen.

In einer solchen elektrischen Servolenkeinrichtung sind die Hauptteile einer Hilfseinheit (zur Lenkhilfe) wie ein Elektromotor und ein Drehmoment- oder Verdrehungs­ momentsensor integral an der Lenkwelle oder auch Lenk­ spindel angebracht. Diese Hauptteile sind über Kabel und Kopplungsglieder elektrisch mit einer Steuereinheit ver­ bunden, die am Armaturenbrett des Fahrzeugs befestigt ist.

Die Funktion dieser bekannten elektrischen Servo­ lenkeinrichtung kann so lange nicht getestet werden, bis die Steuereinheit mit den Hauptteilen der Hilfseinheit über Kabel und Kopplungsglieder verbunden ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, daß die Zuverlässigkeit der elektrischen Servolenkeinrichtung infolge von mangel­ haften elektrischen Kontakten sich verschlechtert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrun­ de, eine elektrische Servolenkeinrichtung zu schaffen, die diese Nachteile nicht mehr aufweist und eine leichte Durch­ führung von Tests an der Steuereinheit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Zudem beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung, daß die Größenabmessungen der erfindungsgemäßen Servolenkein­ richtung herabgesetzt werden können.

Darüber hinaus ist die Anbringung der elektrischen Servolenkeinrichtung am Fahrzeug erleichtert.

Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Servolenkeinrichtung für Fahrzeuge mit Eigenantrieb mit einer Lenkwellenanordnung mit einer Lenkdrehmomentüber­ tragungswelle (Lenkwelle oder Lenkspindel). Die erfin­ dungsgemäße Einrichtung umfaßt ein Gehäuse, das um die Lenkdrehmomentübertragungswelle herum angebracht ist, einen Verdrehungsmomentsensor, der im Gehäuse vorgesehen ist und ein Verdrehungsmoment oder Torsionsmoment in der Lenkdrehmomentübertragungswelle während eines Lenkvorgangs erfaßt, um ein Verdrehungsmomentsignal zu erzeugen, das das erfaßte Verdrehungsmoment darstellt, einen Elektro­ motor, der am Gehäuse angebracht ist und betriebswirksam mit der Lenkdrehmomentübertragungswelle verbunden ist, und eine Steuereinheit, die integral am Gehäuse ange­ bracht und befestigt ist und auf das Verdrehungsmoment­ signal anspricht, um ein Antriebssignal zur Steuerung des Elektromotors zur Verminderung des Lenkkraftaufwands bereitzustellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Aus­ führungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektrische Servolenkeinrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte seitliche Ansicht eines Teils der Einrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht entlang einer Linie III-III einer in Fig. 4 dargestellten Hilfseinheit;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht von vorn auf die in Fig. 1 enthaltene Hilfseinrichtung; und

Fig. 5 eine Hilfseinheit für eine elektrische Servolenkeinrichtung nach dem Stand der Technik.

Bevor bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegen­ den Erfindung erläutert werden, wird zunächst zum besseren Verständnis des technischen Hintergrundes, von dem ausge­ gangen wird, und der erfindungsgemäßen Vorteile eine be­ kannte elektrische Servolenkeinrichtung erläutert.

Ein typisches Beispiel der Hilfseinheit, d.h. der Einheit zur Bereitstellung der Lenkhilfe einer elektri­ schen Servolenkeinrichtung gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 5 dargestellt. Die Bezugszahl 10 bezeichnet ein hohles zylindrisches Lenkgehäuse bzw. einen Lenk­ getriebekasten. Eine Zahnstangenwelle 16 ist axial be­ wegbar im Lenkgehäuse 10 angebracht. Jedes der sich gegenüberliegenden Enden der Zahnstangenwelle 16 ist mit einem entsprechenden Vorderrad 68 sowohl über eine Spur­ stange 64 als auch einen Lenkarm 66 (Fig. 1) verbunden. Ein hohles zylindrisches Ritzelgehäuse 12 ist mit einem Endabschnitt des Lenkgehäuses 10 integral, ein Ganzes ausmachend, ausgebildet. Das Ritzelgehäuse 12 deckt eine Ritzelwelle 13 ab und haltert diese drehbar. Ferner sind (nicht dargestellt) ein Ritzel, ein Schneckenrad und bewegbare Teile sowohl vom Verdrehungsmomentsensor als auch vom Lenkwinkelsensor an der Ritzelwelle 13 im Ritzelgehäuse 12 angebracht. Die fixierten Teile sowohl vom Verdrehungsmomentsensor als auch vom Lenkwinkelsensor sind am Ritzelgehäuse 12 befestigt. Das Schneckenrad greift in eine nicht dargestellte Schnecke ein, die über eine elektromagnetische Kupplung 15 mit einem Elektromotor 14 verbunden ist. Die Schnecke und das Schneckenrad bilden einen Reduktionsgetriebemechanismus des Elektromotors 14. Die Ritzelwelle 13 wird über die Kupplung 15 und den Reduktionsgetriebemechanismus vom Elektromotor 14 gedreht. Die Ritzelwelle 13 ist über eine Gelenkverbindung mit einer Lenkwelle, die ein Lenk­ rad zum Drehen der Welle 13 aufweist, gekoppelt.

Eine Steuereinheit 17 ist an einem Armaturenbrett angebracht und ist elektrisch mit dem Verdrehungsmoment­ sensor, dem Lenkwinkelsensor, dem Elektromotor 14 und der Kupplung 15 über Verlängerungskabel 18 und Kopplungs­ glieder 19 a bis 19 d verbunden. Das Lenkmoment, das vom Verdrehungsmomentsensor erfaßt wird, und die Richtung der Lenkung, die vom Lenkwinkelsensor erfaßt wird, wer­ den zur Steuereinheit 17 übertragen. Die Ausgangsleistung des Elektromotors 14 wird von der Steuereinheit 17 derart variabel gesteuert, daß ansprechend auf das er­ faßte Lenkverdrehungsmoment oder kurz Lenkmoment mit Hilfe des Elektromotors 14 eine Lenkhilfe in der Lenk­ richtung erzielt wird. Wird das Lenkmoment während der Rückdrehung des Lenkrades Null, so wird die Kupplung 15 aus- oder losgekuppelt, um den Einfluß infolge der Träg­ heitskraft des Elektromotors 14 auf die Lenkung zu be­ seitigen.

In der bekannten elektrischen Servolenkeinrichtung werden Verlängerungskabel 18 und Kopplungsglieder 19 a bis 19 d dazu verwendet, Signale zwischen der Steuereinheit 17 und den übrigen Hauptteilen der Hilfseinheit zu über­ tragen. Infolgedessen besteht ein Problem darin, daß die Steuerung der Steuereinheit 17 nicht mehr durchge­ führt werden kann, wenn z.B. die Verlängerungskabel 18 brechen oder eine Kontaktunterbrechung oder ungenügende Kontakte der Kopplungseinheiten 19 a bis 19 d auftreten.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, wobei Teile, die bereits in Fig. 5 enthalten sind, mit den­ selben Bezugszeichen versehen sind. In diesem Ausführungs­ beispiel ist eine Hilfseinheit 20 am unteren Ende 23 einer Lenksäule 22 mittels Maschinen- oder Metallschrau­ ben 21, 21 . . . befestigt. Eine Lenkspindel oder Lenkwel­ le 26 ist in der Lenksäule 22 vorgesehen. Eine Flansch- oder Stummelwelle 30 ist koaxial an ihrem oberen Endab­ schnitt 42 an einem unteren Endabschnitt 28 der Lenk­ welle 26 über eine Kerbzahnverbindung angefügt. Die Lenkwelle 26 und die Flanschwelle 30 sind drehbar über jeweils zugeordnete Kugellager 34 bzw. 36 am Gehäuse 32 gehaltert. Ein Schneckenrad 40 ist um den oberen Endab­ schnitt 42 der Flanschwelle 30 herum angebracht und greift in eine Schnecke 44 ein, die über eine Kupplung 15 zur Unterstützung der Lenkung mit einem Lenkrad 46 von einem Elektromotor 14 gedreht wird. Der Elektromotor 14 und die Kupplung 15 sind am Gehäuse 32 angebracht. Eine lenkradseitige Magnettrommel 48 und eine vorderradseitige Magnettrommel 50 sind um den unteren Endabschnitt 28 der Lenkwelle 26 bzw. am oberen Endabschnitt 42 der Flanschwelle 30 sich gegenüberliegend angebracht. Jede dieser Magnettrommeln 48 und 50 weist alternativ auf ihrer Umfangsfläche vorgesehene Nord- und Südpole auf. Ein Aufnehmer 52 ist am Gehäuse 32 angrenzend an die lenkradseitige Magnettrommel 48 und die vorderradseitige Magnettrommel 50 befestigt und ist elektrisch über ein Kabel 18 mit der Steuereinheit 17 verbunden. Der Aufneh­ mer 52 erfaßt die Drehung der lenkradseitigen Magnet­ trommel 48 und der vorderradseitigen Magnettrommel 50 durch Erfassen bzw. Abtasten der Nord- und Südpole. Ein Verdrehungsmoment erzeugt eine Differenz im Lenkwinkel zwischen der lenkradseitigen Magnettrommel 48 und der vorderradseitigen Magnettrommel 50, so daß auf diese Weise eine Phasendifferenz zwischen den vom Aufnehmer 52 erfaßten Signalen hervorgerufen wird. Eine Steuereinheit 17 ist in direktem Kontakt am Gehäuse 32 angebracht, und in diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 17 am Gehäuse 32 bei 33 (Fig. 3) angeschweißt. Die Steuer­ einheit 17 bestimmt das Verdrehungsmoment entsprechend der Phasendifferenz zwischen den vom Aufnehmer 52 über das Kabel 18 gelieferten Signalen. Daraufhin steuert die Steuereinheit 17 den Elektromotor in Übereinstimmung mit dem erfaßten Verdrehungsmoment so, daß der Lenkkraft­ aufwand in derselben Weise wie in der Hilfseinheit aus Fig. 5 herabgesetzt wird. Die Flanschwelle 30 ist an ihrem unteren Ende 56 über ein Universalgelenk mit einem Drehstab 58 verbunden, und der Drehstab 58 ist mit der Ritzelwelle 13 über ein weiteres Universalgelenk 62 verbunden.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuerein­ heit 17 integral am Gehäuse 32, das den Reduktionsgetrie­ bemechanismus vom Elektromotor 14 enthält, mit diesem Gehäuse ein Ganzes ausmachend angebracht. Infolgedessen ist die ganze Hilfseinheit 20 als eine Einheit an der Lenkeinrichtung angebracht. Diese Konstruktion beinhaltet die folgenden Vorteile. Zunächst kann die gesamte Hilfs­ einheit 20 als eine Einheit bezüglich ihrer Funktions­ fähigkeit und Zuverlässigkeit getestet werden, so daß eine Qualitätsverschlechterung dieser Einheit vermieden werden kann. Zweitens sind die Verlängerungskabel 18 und Kopplungsglieder 19 a bis 19 d vermieden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Hilfseinheit 20 und setzt ihre Kosten herab. Drittens wird die Wärme der Steuereinheit 17 direkt auf das Gehäuse 32 übertragen, und infolgedessen sind jedwede Kühlteile, wie beispielsweise Kühlrippen, nicht erforderlich, so daß die Hilfseinheit 20 mit ver­ minderter Größe herstellbar ist. Schließlich ist auch die Anbringung der Hilfseinheit 20 am Fahrzeug erleich­ tert.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 17 integral am Gehäuse 20 angebracht, welches am unteren Ende 23 der Lenksäule 22 angefügt ist. Jedoch kann die Steuereinheit 17 auch am Ritzelgehäuse 12 aus Fig. 5 befestigt werden.

Der Verdrehungsmomentsensor dieses Ausführungsbei­ spiels umfaßt die lenkradseitige Magnettrommel 48 und die vorderradseitige Magnettrommel 50 sowie den Aufnehmer 52. Die Steuereinheit 17 erfaßt die Richtung der Lenkung entsprechend der Polarität der Signale, die vom Ver­ drehungsmomentsensor geliefert werden. Zusätzlich zum Verdrehungsmomentsensor kann ein Lenkwinkelsensor ver­ wendet werden, der die Lenkungsrichtung erfaßt.

Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedenste Arten elektrischer Servolenkeinrichtungen angewandt wer­ den, die auf die Fahrzeuggeschwindigkeit und Motorgeschwin­ digkeit ansprechen. Die Servolenkeinrichtungen, die auf die Fahrzeuggeschwindigkeit ansprechen, variieren die Lenkhilfe in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor erfaßt wird. Die motorgeschwindigkeitsabhängigen Servo­ lenkeinrichtungen liefern eine Lenkhilfe in Abhänigkeit von der Motorgeschwindigkeit, die von einem Motorgeschwin­ digkeitssensor erfaßt wird. In diesen Fällen wird ein Kabel benötigt, das die Steuereinheit 17 mit dem Fahr­ zeuggeschwindigkeitssensor oder dem Motorgeschwindig­ keitssensor verbindet.

Die vorliegende Erfindung kann auf eine elektrische Servolenkeinrichtung ohne jede Kupplung 15 angewandt werden. In der elektrischen Servolenkeinrichtung wird der Elektromotor 14 so gesteuert, daß ein Einfluß infolge seiner Trägheitskraft während der Rückdrehung des Lenk­ rades 46 beseitigt wird.

Die Erfindung wurde an Hand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert, es ist jedoch unmittel­ bar klar, daß zahlreiche Abwandlungen und Änderungen mög­ lich sind, ohne von der Erfindungsidee abzuweichen oder den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (4)

1. Elektrische Servolenkeinrichtung für ein Motorfahr­ zeug, umfassend ein Gehäuse, das an einer Lenkdreh­ momentübertragungswelle befestigt ist, einen Verdrehungs­ momentsensor, der im Gehäuse vorgesehen ist und dazu dient, ein Verdrehungsmoment in der Lenkwelle während eines Lenkvorgangs zur Erzeugung eines Verdrehungsmoment­ signals zu erfassen, das das Verdrehungsmoment darstellt, und eine Steuereinheit, die ansprechend auf das Verdre­ hungsmomentsignal ein Antriebssignal zur Steuerung eines Elektromotors liefert, der am Gehäuse befestigt ist und betriebswirksam mit der Lenkdrehmomentübertragungswelle verbunden ist, um einen Lenkkraftaufwand herabzusetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (17) integral am Gehäuse (32) angebracht ist.

2. Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwellenanordnung eine Lenksäule (22) mit einem unteren Ende (23) umfaßt, daß die Lenkmomentübertragungs­ welle (26, 30) durch die Lenksäule (22) geführt ist und daß das Gehäuse (32) am unteren Ende (23) der Lenksäule (22) angebracht ist.

3. Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (17) am Gehäuse (32) in direktem Kontakt mit dem Gehäuse (32) zur Wärmeübertragung ange­ bracht ist.

4. Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkdrehmomentübertragungswelle eine Lenkwelle (26) und eine Flanschwelle (30) umfaßt, daß die Lenk­ welle und die Flanschwelle einander gegenüberliegende, koaxial zusammengefügte Enden (28, 42) aufweisen und daß der Verdrehungsmomentsensor umfaßt: ein Paar Magnet­ trommeln (48, 50), die um die sich gegenüberliegenden Enden (28, 42) der Lenkwelle (26) bzw. der Flansch­ welle (30) herum angebracht sind, wobei die Magnettrom­ meln (48, 50) äußere Umfangsflächen mit alternativ ange­ ordneten Nord- und Südpolen aufweisen; und einen Auf­ nehmer (52), der die Nordpole und Südpole zur Erzeugung des Verdrehungsmomentsignals abtastet.