DE3939343C2 - Elektrische Servolenkeinrichtung für Motorfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Servolenkeinrich­ tungen für ein Motorfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein typisches Beispiel einer elektrischen Servolenk­ einrichtung, d. h. Lenkeinrichtung mit Lenkhilfe, ist z. B. im offengelegten japanischen Gebrauchsmuster Nr. 60 188064 (1985) 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 Freilaufkupplung 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 Verdrehungsmomentsensor integral an der Lenkwelle angebracht. Diese Hauptteile sind über Kabel und Kopplungsglieder elektrisch mit einer Steuer­ einheit verbunden, die am Armaturenbrett des Fahrzeugs befe­ stigt ist.

Die Funktion dieser bekannten elektrischen Servolenk­ einrichtung 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 Servo­ lenkeinrichtung infolge von mangelhaften elektrischen Kontak­ ten sich verschlechtert.

Im Oberbegriff des Anspruchs 1 wird vom Stand der Technik nach der DE 38 01 846 C2 ausgegangen. Bei dieser Schrift sowie auch der nicht vorver­ öffentlichten DE 38 35 955 A1 sind die Gehäuse der Hilfslenk­ einheiten integraler Bestandteil des Lenkgetriebegehäuses, das sich üblicherweise im Motorraum befindet.

Gemäß der DE 38 01 846 C2 bilden eine Motorhalterung, eine Drehmomentsensorhalterung und eine Zahnstangenhalterung ein integrales Gehäuse mit dem Getriebegehäuse. Der Motor ist darin betriebswirksam mit dem Ritzel bzw. der Ritzelantriebs­ welle verbunden.

In der DE 38 35 955 A1 ist der Motor zentral im Ge­ triebegehäuse angeordnet, dessen Ausgangswelle kraftschlüs­ sig mit dem Ritzel gekoppelt ist. In einem seitlichen Ab­ schnitt des Getriebegehäuses sind ein Drehmomentsensor und eine Steuereinheit oberhalb der Zahnstangen angeordnet. Eine Treibereinheit für den Motor ist im seitlichen Abschnitt des Getriebegehäuses unter der Zahnstange angeordnet.

In beiden Schriften grenzt zwar die Steuereinheit an den Drehmomentsensor an, und es sind keine längeren Übertra­ gungsleitungen dazwischen erforderlich, zudem ist zumindest in der DE 38 01 846 C2 die gesamte Hilfslenkeinheit einiger­ maßen kompakt, jedoch ist zu beachten, daß sie infolge der Anordnung im Motorraum leicht durch die dortige Wärmeent­ wicklung beeinträchtigt wird und zudem Geräuschen und ein­ tretendem Wasser ausgesetzt ist und so Probleme hinsichtlich der mechanischen Stabilität und Zuverlässigkeit auftreten.

Gemäß der DE 25 46 330 A1 ist ein Drehmomentsensor in einem Gehäuse in der Nähe des Lenkrades an der Lenkwelle ange­ bracht, wobei im Gehäuse auch ein Verstärker enthalten ist. Jedoch sitzen eine Schützensteuerung und der Drehmomentver­ stärker, die insgesamt die Lenkhilfseinrichtung bilden, nicht an dieser Stelle, sondern es führen Leitungen zu dieser in üblicher Weise ausgeführten Einrichtungen, die in bekannter Weise die Lenkwirkung unterhalb des Drehstabes, d. h. an der Ritzelwelle, verstärkt. Eine derartige Leitungsführung ist, wie bereits weiter oben ausgeführt, sowohl im Hinblick auf die Sicher­ stellung einwandfreier Kontakte als auch ein direktes An­ sprechverhalten von Nachteil.

Gemäß der DE-OS 22 37 166 ist ein Rechner wiederum über Zuleitungen von der Lenkwelle entfernt, z. B. am Arma­ turenbrett vorgesehen, wobei die Zuleitungen zum Motor und zum Drehmomentfühler (hier Winkelbewegungsfühler) gelegt sind. Der verwendete Winkelbewegungsfühler sitzt auf einer Muffe über dem Torsions- oder Drehstab. Der Motor bzw. ein Untersetzungsgetriebe sitzen am Wellenabschnitt unterhalb des Drehstabes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte, möglichst eine Einheit darstellende elektri­ sche Servolenkeinrichtung zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht mehr aufweist, eine leichte Durchführung von Tests an der Steuereinheit ermöglicht und zuverlässig ar­ beitet.

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

Dabei wird von den Anordnungen der DE 38 01 842 C2 und DE 38 35 955 A1 insofern grundsätzlich abgegangen, als daß die gesamte Lenkhilfseinheit an der Lenksäule befestigt wird und damit im Fahrerraum und nicht mehr im Motorraum. Dadurch werden zunächst einmal die obigen störenden Einflüsse ausgeschaltet. Darüber hinaus ist die Einheit auch in sich kompakter ausgebildet, da sie nicht an den verschiedenen Seiten des Lenk- bzw. Getriebegehäuses untergebracht werden muß, wie dies z. B. im Stand der Technik zum Teil der Fall war. Statt dessen ist sie völlig unabhängig vom Lenk-, Getriebe- und Ritzelgehäuse und kann so separat montiert und leicht geprüft werden.

Der Motor, der am eigenständigen Gehäuse der Lenkhilfs­ einheit angebracht ist, wirkt direkt auf die Lenkwelle. Auch der Drehmomentsensor erfaßt nicht das Ritzel oder die Ritzel­ welle, sondern die Lenkmomentübertragungswelle. Im Gegensatz zur DR 38 35 955 A1 ist die Steuereinheit nicht gemeinsam mit dem Drehmomentsensor im Gehäuse untergebracht, sondern daran angebracht. Dies hat z. B. den Vorteil, daß die Steuereinheit leicht ausgetauscht, geprüft und gewartet werden kann. Auch der Motor ist in entsprechender Weise leicht zugänglich.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Steuereinheit direkt am Gehäuse, das den Drehmomentsensor und die Kopplungs­ teile für den Motor enthält, der so auf den Wellenbereich oberhalb des Drehstabs wirkt, ist somit nicht nur eine äußerst kompakte Anordnung geschaffen, sondern diese wirkt direkt ohne nachteilige Leitungsführung und Ansprechverzögerung auf die Lenkwelle und nicht etwa auf einen unterhalb des Drehstabes verlaufenden Wellenabschnitt. Damit wird erfindungsgemäß die Drehkraftsteuerung oberhalb des Drehstabes erzeugt und über diesen auch an die Ritzelantriebswelle weitergegeben. Bei sämtlichen genannten Beispielen aus dem Stand der Technik wirkt der Motor hingegen offensichtlich auf den Wellenbereich, auf den bereits mit Hilfe des Lenkrades die Lenkkraft über den Drehstab übertragen wurde.

Die erfindungsgemäße Lenkunterstützungssteuerung lie­ fert eine sehr zuverlässige, direkte und stabile Steuerung der Lenkhilfe durch eine zudem kompakte Struktur innerhalb des Fahrzeuginnenraums und beseitigt Trägheitskrafteinflüsse durch die integrale Anordnung sämtlicher Komponenten der Hilfseinheit nahe dem Lenkrad. Die kompakte Anordnung ist auch deshalb möglich, weil z. B. keine zusätzlichen Kühlein­ richtungen wegen der möglichen Wärmeübertragung auf das Gehäuse nötig sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

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 Drehmomentsensor als auch vom Lenkwinkelsensor an der Ritzelwelle 13 im Ritzelgehäuse 12 angebracht. Die fixierten Teile sowohl vom Drehmomentsensor 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 Drehmoment­ sensor, dem Lenkwinkelsensor, dem Elektromotor 14 und der Kupplung 15 über Verlängerungskabel 18 und Kopplungs­ glieder 19a bis 19d verbunden. Das Lenkmoment, das vom Drehmomentsensor 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 Lenkdrehungsmoment 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 19a bis 19d 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 19a bis 19d 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 Lenkwelle 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 Stummelwelle 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 Stummelwelle 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 Stummelwelle 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. Die 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 Drehmoment 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 Drehmoment 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 19a bis 19d 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 Drehmomentsensor 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 Drehmomentsensor geliefert werden. Zusätzlich zum Drehmomentsensor 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.

Claims (3)

1. Elektrische Servolenkeinrichtung für ein Motorfahrzeug mit einem Lenkrad im Fahrzeuginnenraum, einer von einer Lenk­ säule umgebenen Lenkwelle in diesem Raum, einem Lenkgetriebe­ gehäuse im Motorraum zum Umsetzen des Lenkmoments des Lenk­ rades in die Querbewegung einer Spurstange, einem in einem Gehäuse an der Lenkwelle vorgesehenen Drehmomentsensor zur Erfassung des beim Lenken übertragenen Drehmoments, einer Steuereinheit zur Ermittlung einer Lenkhilfskraft auf der Grundlage des Drehmomentsignals vom Sensor und zur entspre­ chenden Steuerung eines Elektromotors zur Unterstützung der Lenkung, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Lenkwelle (26) koaxial eine Stummelwelle (30) verbunden ist, an der ein Drehstab (58) über ein erstes Universalgelenk (60) angebracht ist, welcher über ein zweites Universalgelenk (62) mit dem Lenkgetriebegehäuse (10) ver­ bunden ist, daß eine Lenkhilfseinheit (20) in dem Gehäuse (32), in dem der Drehmomentsensor (48, 50, 52) aufgenommen ist, zwischen der Lenkwelle (26) und der Stummelwelle (30) angeordnet ist, wobei der Drehmomentsensor das Drehmoment in diesen Wellen (26 und 30) erfaßt, daß der Motor (14) betriebswirksam mit der Stummelwelle (30) verbunden ist und an diesem Gehäuse (32) angebracht ist und daß die Steuer­ einheit (17) integral am Gehäuse (32) angebracht ist.

2. Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) am unteren Ende (23) der Lenksäule (22) angebracht ist.

3. Elektrische Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwelle (26) und die Stummelwelle (30) einander gegenüberliegende, koaxial zusammengefügte Enden (28, 42) aufweisen und daß der Drehmomentsensor ein Paar Magnet­ trommeln (48, 50), die um die sich gegenüberliegenden Enden (28, 42) der Lenkwelle (26) bzw. der Stummelwelle (30) herum angebracht sind, wobei die Magnettrommeln (48, 50) äußere Umfangsflächen mit alternativ angeordneten Nord- und Süd­ polen aufweisen und einen Aufnehmer (52) umfaßt, der die Nordpole und Südpole zur Erzeugung des Verdrehungsmoment­ signals abtastet.