DE4407729A1 - Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung zum Erzeugen unterstüt­ zender Lenkkräfte, um den Fahrer eines Kraftfahrzeugs beim Lenken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.

Eine bekannte elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung, welche einen Elektromotor zum Unterstützen beim Lenken eines Kraftfahrzeugs verwendet, ist z. B. in der offengelegten japa­ nischen Patentveröffentlichung Nr. 3-7661 offenbart. Die of­ fenbarte elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung umfaßt eine Antriebsschaltung, welche mit Abstand von einem Elektro­ motor angeordnet ist und mit der Feldspule des Stators des Elektromotors durch lange Motorleitungen verbunden ist.

Im allgemeinen erfassen elektrisch betriebene Servolenkungs­ einrichtungen bei Kraftfahrzeugen eine manuelle Lenkkraft von einem Lenkrad durch einen Drehmomentsensor, erregen einen bür­ stenlosen Motor mit einem von dem Drehmomentsensor erfaßten Signal und Wandeln die Rotation des bürstenlosen Motors in eine Linearbewegung einer Lenkwelle zum Erzeugen einer unter­ stützenden Kraft um, welche zu der manuellen Lenkkraft zum Lenken des Fahrzeugs hinzugefügt wird. Zum Beispiel weist eine herkömmliche elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung, welche in Fig. 14(b) der beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, einen Drehmomentsensor auf, welcher ein erfaßtes Signal zu einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) liefert, die ein Steuersignal an eine Motorsteuerschaltung anlegt, welche eine Antriebsschaltung zum Erregen eines bürstenlosen Motors steu­ ert. Die Antriebsschaltung umfaßt eine Mehrzahl von Antriebs­ vorrichtungen, welche typischerweise Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren (MOS-FETs) sind.

Bisher ist die Antriebsschaltung von einer Steuereinheit um­ faßt, welche von dem bürstenlosen Motor getrennt angeordnet ist. Daher liegen Antriebsleitungen oder elektrische Leitun­ gen, welche die Antriebsschaltung mit dem Stator des bürsten­ losen Motors verbinden, zwischen diesen frei und sind relativ lang. Die langen elektrischen Leitungen verursachen einen gro­ ßen, durch einen Widerstand erzeugten Energieverlust, und nei­ gen dazu, ein Rauschen zu erzeugen, welches die Funktion der Antriebsvorrichtungen der Antriebsschaltung aufgrund des schnellen (Hochgeschwindigkeits-) Umschaltens großer durch die elektrischen Leitungen fließender Ströme verschlechtert.

Eine Lösung wäre es, die Länge der elektrischen Leitungen, welche die Antriebsschaltung mit dem bürstenlosen Motor ver­ binden, zu minimieren. Wenn die elektrischen Leitungen gekürzt werden würden, dann müßten die Antriebsvorrichtungen nahe dem Stator des bürstenlosen Motors angeordnet werden. Da die An­ triebsvorrichtungen für Wärme empfindlich sind, wäre es erfor­ derlich Maßnahmen einzuführen, welche die Wärme, die durch den Stator erzeugt wird, sowie die durch die Antriebsvorrichtungen selbst erzeugte Wärme ableiten, bzw. abstrahlen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung vorzusehen, welche relativ kurze, eine Antriebsschaltung und einen Elek­ tromotor verbindende elektrische Leitungen aufweist, um der Antriebsschaltung ein zuverlässiges Durchführen ihrer Funktion zu ermöglichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elektrisch betriebe­ ne Servolenkungseinrichtung vorgesehen, umfassend eine in Ant­ wort auf eine durch ein Lenkrad angelegte manuelle Lenkkraft axial bewegbare Lenkwelle, wobei die Lenkwelle eine Kugelum­ laufspindel aufweist; eine über die Kugelumlaufspindel ge­ schraubte Schraubmutter, wobei eine Mehrzahl von Kugel zwi­ schen diesen angeordnet ist; einen bürstenlosen Motor zum Un­ terstützen der Axialbewegung der Lenkwelle, wobei der bürsten­ lose Motor einen Rotor, welcher mit der Schraubmutter verbun­ den ist und drehbar um die Lenkwelle angeordnet ist, sowie einen von dem Rotor durch einen ersten Spalt getrennten Stator aufweist; ein äußeres Gehäuse mit einer ersten Innenumfangs­ fläche, welche die Schraubmutter durch ein Lager trägt, einer zweiten Innenumfangsfläche, welche den Stator trägt und einem benachbart dem bürstenlosen Motor von der Schraubmutter ent­ fernt angeordneten benachbarten Abschnitt, wobei die Lenkwelle in dem äußeren Gehäuse aufgenommen ist; und wenigstens eine Antriebsvorrichtung, welche in dem benachbarten Abschnitt nahe dem Stator angeordnet ist und mit dem Stator elektrisch ver­ bunden ist.

Der benachbarte Abschnitt kann eine dritte Umfangsoberfläche aufweisen, welche zwischen sich und einer Außenumfangsfläche der Lenkwelle einen Raum festlegt, wobei die wenigstens eine Antriebsvorrichtung an der dritten Umfangsfläche angebracht ist und zu dem Raum hin freiliegt, um die durch die Antriebsvorrichtung erzeugte Wärme effektiv abzuleiten.

Der Rotor kann eine von der Außenumfangsfläche der Lenkwelle durch einen zweiten Spalt getrennte Innenumfangsfläche auf­ weist, sowie eine Verlängerung, welche sich in den Raum er­ streckt und den Raum zwischen sich und der dritten Umfangsflä­ che des benachbarten Abschnitts festlegt, wobei die Verlänge­ rung an einer Außenumfangsfläche derselben wenigstens eine Rippe aufweist, um bei einer Drehung des Rotors Luft zur we­ nigstens einen Antriebsvorrichtung zu leiten, um die durch die Antriebsvorrichtung erzeugte Wärme effektiv abzuleiten. Die Verlängerung kann eine um die Lenkwelle angeordnete und von dieser durch einen dritten Spalt getrennte Röhrenform aufwei­ sen, wobei die Verlängerung eine Mehrzahl von Rippen aufweist, welche an zueinander im Winkelabstand angeordneten Intervallen an der Außenumfangsfläche derselben angebracht sind, sowie eine Mehrzahl von Luftdurchlässen, welche durch ihre Außenum­ fangsfläche hindurch gebildet sind und den dritten Spalt mit dem Raum verbinden.

Jede Rippe kann eine schräge Oberfläche aufweisen, welche in Richtungen des bürstenlosen Motors zunehmend niederer ist, und/oder kann in Richtung des bürstenlosen Motors zunehmend dünner sein. Die Verlängerung kann einen Flansch aufweisen, welcher radial von ihrer Außenumfangsfläche nach außen hervor­ steht und die Rippen an ihrem vom bürstenlosen Motor entfern­ ten Enden verbindet.

Die elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung kann ferner ein erstes Rückschlagventil umfassen, welches zwischen der ersten Innenumfangsfläche des äußeren Gehäuses und einer Au­ ßenumfangsfläche einer Verbindung zwischen dem Rotor und der Schraubmutter angeordnet ist, um einen Luftstrom von dem Raum durch den ersten Spalt in Richtung zum Lager hin zu ermögli­ chen. Eine derartige Luftzirkulation dient zum Kühlen der An­ triebsvorrichtung und ebenso des bürstenlosen Motors.

Die elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung kann ferner eine wenigstens einen an einer Außenfläche des benachbarten Abschnitts des äußeren Gehäuses angeordneten und elektrisch mit der wenigstens einen Antriebsvorrichtung verbundenen elek­ trischen Verbinder, sowie eine Mehrzahl von Wärmeabstrahlungs­ rippen umfassen, welche zur erhöhten Wärmeabstrahlung von der Außenfläche des benachbarten Abschnitts hervorstehend, den elektrischen Verbinder umgebend angeordnet sind.

Wenn die elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung in ein Kraftfahrzeug mit zwei Achsen eingegliedert ist, kann der be­ nachbarte Abschnitt zwischen den Achsen angeordnet sein, um zur erhöhten Wärmeabstrahlung Stauluft aufzunehmen, während das Kraftfahrzeug fährt. Die Lenkwelle kann entgegengesetzte Enden aufweisen, welche mit jeweiligen Zugstangen des Kraft­ fahrzeugs verbunden sind, und die elektrisch betriebene Servo­ lenkungseinrichtung kann ferner ein Paar von ausdehnbaren und kontrahierbaren Abdeckungen umfassen, welche die Zugstangen und jeweilige Enden des äußeren Gehäuses verbinden, wobei der benachbarte Abschnitt eine vierte Innenumfangsfläche aufweist, welche von der Außenumfangsfläche der Lenkwelle durch einen vierten Spalt getrennt ist, wobei eine der Abdeckungen durch den vierten Spalt, den dritten Spalt und die Luftdurchlässe in Verbindung mit dem Raum gehalten ist.

Die elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung kann ferner ein zweites Rückschlagventil umfassen, welches zwischen der Innenumfangsfläche des Rotors und der Außenumfangsfläche der Lenkwelle angeordnet ist, um einen Luftstrom von dem zweiten Spalt in Richtung des dritten Spalts zu ermöglichen, wobei die andere der Abdeckungen durch die Schraubmutter, den zweiten Spalt, das zweite Rückschlagventil, den dritten Spalt und die Luftdurchlässe in Verbindung mit dem Raum gehalten ist.

Die oben angegebenen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vortei­ le der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibungen augenscheinlich, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, welche anhand von Beispielen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.

Fig. 1 ist ein Teil einer Querschnittsansicht einer elek­ trisch betriebenen Servolenkungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts der in Fig. 1 gezeigten elektrisch betriebenen Ser­ volenkungseinrichtung;

Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Antriebsschaltungseinheit der in Fig. 1 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV in Fig. 1;

Fig. 5 ist eine perspektivische Teilansicht von Rippen auf einer Verlängerung eines Rotor in der in Fig. 1 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung;

Fig. 7(a) und 7(b) sind Querschnittsansichten, welche einen Betrieb eines Rückschlagventils zeigen, das zwischen einem ersten Gehäuse und einer Schraubmutter in der in Fig. 1 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung an­ geordnet ist;

Fig. 8 ist eine Frontansicht von wärmeabstrahlungsrippen eines elektrischen Verbinders auf einer Außenfläche eines dritten Gehäuses in der in Fig. 1 gezeigten elektrisch betrie­ benen Servolenkungseinrichtung;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht der in Fig. 1 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung, so wie sie in ein Kraftfahrzeug eingegliedert ist;

Fig. 10 ist ein Teil einer Querschnittsansicht einer elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ist ein Teil einer Querschnittsansicht der in Fig. 10 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrich­ tung, welche zum Lenken eines Kraftfahrzeugs in einer Richtung betätigt ist;

Fig. 12 ist ein Teil einer Querschnittsansicht der in Fig. 10 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrich­ tung, welche zum Lenken eines Kraftfahrzeugs in einer entge­ gengesetzten Richtung betätigt ist;

Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht, welche den Betrieb eines zwischen einem Rotor und einer Lenkwelle in der in Fig. 10 gezeigten elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung angeordneten Rückschlagventils zeigt;

Fig. 14(a) ist ein Blockdiagramm einer Systemanordnung der in den Fig. 1 und 10 gezeigten elektrisch betriebenen Ser­ volenkungseinrichtungen; und

Fig. 14(b) ist ein Blockdiagramm einer Systemanordnung einer herkömmlichen elektrisch betriebenen Servolenkungsein­ richtung.

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind zweckmäßig, wenn diese in einer elektrisch betriebenen Servolenkungsein­ richtung an einem Kraftfahrzeug verwendet wird, in welcher ein bürstenloser Motor durch verschiedene Steuersignale, umfassend ein Erfassungssignal von einem Drehmomentsensor, erregt wird, und die Rotation des bürstenlosen Motors in eine Linearbewe­ gung der Lenkwelle umgewandelt wird, um eine unterstützende Kraft zu erzeugen, die zu der manuellen Lenkkraft zum Lenken des Kraftfahrzeugs hinzugefügt wird.

Die Fig. 1 zeigt eine elektrisch betriebene Servolenkungsein­ richtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die elektrisch betrie­ bene Servolenkungseinrichtung eine Lenkwelle 1 auf, welche in einem äußeren Gehäuse linear hin- und herbewegbar ist und eine Stange (nicht gezeigt) an ihrem hinteren Ende aufweist, die mit einem Zahnrad 2a in Eingriff gehalten ist, welches an dem unteren Ende einer mit einem Lenkrad (siehe Fig. 9) gekoppel­ ten Lenksäule 2 angebracht ist. Daher kann die Rotation des Lenkrads in eine lineare Axialbewegung der Lenkwelle 1 umge­ wandelt werden. Die Lenkwelle 1 umfaßt ferner eine Kugelum­ laufspindel 3 an ihrer Außenumfangsfläche, entfernt von der Stange, und eine Schraubmutter (Innengewindeschraube) 5 ist über die Kugelumlaufspindel 3 mit einer Mehrzahl von Kugeln 4 dazwischen geschraubt. Die Schraubmutter 5 kann zum Unterstüt­ zen der Linearbewegung der Lenkwelle 1 in ihrer axialen Rich­ tung gedreht werden.

Die Schraubmutter 5 weist ein axiales Ende auf, welches durch Bolzen an einem Rotor 7 eines bürstenlosen Motors 6 festgelegt ist, der benachbart der Schraubmutter 5 angeordnet ist. Die Schraubmutter 5 ist in einem ersten Gehäuse 10 des äußeren Gehäuses durch ein Lager 8 drehbar gehalten.

Der bürstenlose Motor 6 umfaßt einen Rotor 7, welcher in einem zweiten Gehäuse 11 des äußeren Gehäuses aufgenommen ist und um die Lenkwelle 1 drehbar angeordnet ist, einen Permanentmagne­ ten 27, welcher fest an der Außenumfangsfläche des Rotors 7 angebracht ist, und einen Stator 12, welcher fest in dem zwei­ ten Gehäuse 11 um den Permanentmagneten 27 auf dem Rotor 7 in einer radial beabstandeten Beziehung zu diesem untergebracht ist, wobei der Stator 12 eine Spulenwicklung umfaßt, welche an der Innenumfangsfläche des zweiten Gehäuses 11 angeordnet ist. Der bürstenlose Motor 6 kann durch eine Antriebsschaltungsein­ heit 14 erregt bzw. angetrieben werden, welche in einem drit­ ten Gehäuse des äußeren Gehäuses untergebracht ist, das be­ nachbart dem zweiten Gehäuse 12 angeordnet ist. Die Antriebs­ schaltungseinheit 14 weist mit den Wicklungsanschlüssen 15 (siehe Fig. 2) des Stators 12 elektrisch verbundene Anschlüsse auf.

Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt die Antriebsschaltungseinheit 14 einen zylindrischen Basisblock 16, eine Mehrzahl von Antriebs­ vorrichtungen 17, welche fest an der Umfangsfläche des Basis­ blocks 16 angebracht sind, eine dünne, kreisförmige Schaltungsplatte 18, welche elektrisch mit den Antriebsvor­ richtungen 17 verbunden ist, eine ringförmige Energieversor­ gungsplatte 21, welche an der Schaltungsplatte 18 durch eine Mehrzahl von ringförmigen Verbindungsplatten 20 angebracht ist, sowie Befestigungselemente 22a, 22b, welche die gestapel­ ten ringförmigen Platten 18, 20, 21 an einem axialen Ende des Basisblocks festlegen. Die Antriebsvorrichtungen 17 können z. B. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FETs) umfassen, und sind benachbart dem Stator 12 angeordnet. Wie in Fig. 4 gezeigt, gibt es sechs Antriebsvorrichtungen 17, welche bei in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandeten Intervallen an der Innenumfangsfläche des Basisblocks 16 ange­ bracht sind. Die Antriebsvorrichtungen 17 sind elektrisch durch die Platten 18, 20, 21 mit elektrischen Verbindern bzw. Stromverbindern 9 in jeweiligen Verbindungen 23 an der Außen­ umfangsfläche des dritten Gehäuses 13 verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt. Den elektrischen Verbindern 9 wird elektrische Ener­ gie von einer Batterie 29 (siehe Fig. 9) durch elektrische Drähte bzw. Leitungen 19 zugeführt.

Wenn die Antriebsvorrichtungen 17 MOS-FETs umfassen, dann wer­ den ihre Charakteristiken linear verschlechtert, d. h. ihr zu­ lässiger Verlust wird bei Temperaturen von mehr als 30°C ge­ senkt, und sie werden bei 150°C praktisch nicht mehr betriebs­ bereit sein. Um ein derartiges Fehlverhalten zu vermeiden, weist das dritte Gehäuse 13 eine Anzahl von Wärmeabstrahlungs­ rippen 13a an seiner Außenumfangsfläche auf, um die in der Antriebsschaltungseinheit 14 erzeugte und zu dieser geleitete Wärme abzustrahlen. Wie in Fig. 8 gezeigt, sind die Wärmeab­ strahlungsrippen 13a um die elektrischen Verbinder 9 angeord­ net. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die elektrischen Verbinder 9 in einer in dem dritten Gehäuse 13 gebildeten Ausnehmung ange­ bracht und weisen jeweilige äußere Enden auf, die tiefer lie­ gen als die radial äußeren Enden der Wärmeabstrahlungsrippen 13a. Die elektrischen Verbinder 9 sind durch die umgebenden Wärmeabstrahlungsrippen 13a geschützt, und die elektrischen Leitungen 19, welche mit den elektrischen Verbindern 9 verbun­ den sind, sind ebenso geschützt, da sie sich zwischen einigen der Wärmeabstrahlungsrippen 13a erstrecken.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist der Rotor 7 ein axiales Ende auf, welches sich in das dritte Gehäuse 13 erstreckt. Das axiale Ende des Rotors 7, welches sich in das dritte Gehäuse 13 er­ streckt, weist die Form eines röhrenförmigen Abschnitts 7a mit kleinerem Durchmesser auf, welcher es ermöglicht, daß ein gro­ ßer Raum 24 in dem dritten Gehäuse 13 gebildet ist.

Wie in den Fig. 1 und 5 gezeigt, ist eine Mehrzahl von Rippen 25 an winkelmäßig zueinander im Abstand vorgesehenen Interval­ len an der Außenumfangsfläche des röhrenförmigen Abschnitts 7a mit kleinerem Durchmesser angebracht. Jede der Rippen 25 er­ streckt sich in der axialen Richtung der Lenkwelle 1 und weist eine schräge, radial äußere Oberfläche 25a auf, welche in Richtung des zweiten Gehäuses 11 oder des bürstenlosen Motors 6 zunehmend niederer oder in Richtung von dem zweiten Gehäuse 11 oder von dem bürstenlosen Motor 6 weg zunehmend höher ist.

Wenn der Rotor 7 sich dreht, erzeugen die Rippen 25 einen Luftstrom und richten diesen schräg in Richtung der Antriebs­ vorrichtungen 17. Zur gleichen Zeit dient die schräge, radial äußere Oberfläche 15a dazu, den Luftstrom in Fig. 1 von rechts nach links zu leiten. Der röhrenförmige Abschnitt 7a mit klei­ nerem Durchmesser weist eine Mehrzahl von Luftdurchlässen 26 auf, welche radial durch diesen hindurch zwischen den Rippen 25 gebildet sind. Luft wird von einem ringförmigen Spalt, wel­ cher zwischen der Lenkwelle 1 und dem Rotor 7 gebildet ist, in den Raum 24 durch die Luftdurchlässe 26 eingelassen, und fer­ ner durch einen ringförmigen Spalt, welcher zwischen der Lenk­ welle 1 und dem dritten Gehäuse 13 auf der rechten Seite des Raums 24 in Fig. 1 gebildet ist, in den Raum 24 durch die Luftdurchlässe 26. Die eingeleitete Luft wird durch die Dre­ hung der Rippen 25 zu den Antriebsvorrichtungen 17 geführt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist jede der Rippen 25 in Richtung des zweiten Gehäuses 11 oder des bürstenlosen Motors 6 zunehmend verjüngt oder dünner, um den Luftstrom in der axialen Richtung der Lenkwelle 1 von rechts nach links zu leiten.

Die Fig. 6 zeigt modifizierte Rippen 25, welche von dem zwei­ ten Gehäuse 11 oder dem bürstenlosen Motor 6 entfernte Enden aufweisen, die durch einen sich von dem Abschnitt 7a mit klei­ nerem Durchmesser radial nach außen erstreckenden Flansch 25b verbunden sind. Der Flansch 25b weist eine radial nach außen abgeschrägte Oberfläche auf, um den Luftstrom effektiver radi­ al nach außen in Richtung der Antriebsvorrichtungen 17 zu lei­ ten.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Rückschlagventil bzw. Einwege­ ventil 28 in einem Grenzbereich axial zwischen dem ersten Ge­ häuse 10 und dem zweiten Gehäuse 11 angeordnet. Das Rück­ schlagventil 28 kann einen Luftdurchlaß zwischen einem Raum innerhalb des ersten Gehäuses 10 und einem Raum um ein Ende des Rotors 12, in welchem sich die Schraubmutter 5 erstreckt, absperren. Wenn Luft von den Antriebsvorrichtungen 17 in dem Raum 24 strömt, wird das Rückschlagventil 28 geöffnet, um ei­ nen derartigen Luftstrom durch dieses hindurch zu ermöglichen, wie in Fig. 7(b) gezeigt. Wenn Luft in der entgegengesetzten Richtung strömt, d. h. von innerhalb des ersten Gehäuses 10, wird das Rückschlagventil 28 geschlossen, um einen derartigen Luftstrom zu unterbrechen, wie in Fig. 7(a) gezeigt.

Es gibt zwei Luftdurchlässe, welche um die Schraubmutter 5 herum gebildet sind, d. h. einen äußeren Luftdurchlaß, welcher sich durch das Lager 8 erstreckt, und einen inneren Luftdurch­ laß, welcher sich durch die über die Kugelumlaufspindel 3 ge­ schraubte Schraubmutter 5 erstreckt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, gibt es einen kleinen ringförmigen Spalt, welcher zwischen dem Permanentmagneten 27 auf dem Rotor 7 in dem zweiten Gehäuse 11 und dem Stator 12 in dem zweiten Gehäuse 11 gebildet ist.

Die oben beschriebene elektrisch betriebene Servolenkungsein­ richtung weist eine in Fig. 14(a) gezeigte Systemanordnung auf. Die in Fig. 1 gezeigte Steuerschaltungseinheit 14, ins­ besondere die Antriebsvorrichtungen 17 derselben, werden durch eine in Fig. 14(a) gezeigte, in Fig. 9 als ECU bezeichnete Steuereinheit gesteuert.

Wenn die Schraubmutter 5 durch den Rotor 7 gedreht wird, wel­ cher auf der Grundlage eines Erfassungssignals von dem eine an das Lenkrad angelegte manuelle Lenkkraft erfassenden Drehmo­ mentsensor gedreht wird, wird die Lenkwelle 1 in ihrer axialen Richtung linear bewegt und unterstützt dadurch das Lenken des Fahrzeugs. Dabei kann die durch die Antriebsvorrichtungen 17 erzeugte Wärme effektiver dissipiert werden. Insbesondere richten, wenn der Rotor 7 durch einen von den Antriebsvorrich­ tungen 17 zu dem Stator 12 geleiteten Strom gedreht wird, die Rippen 25 auf dem Abschnitt 7a mit kleinerem Durchmesser auf dem Rotor 7 Luft zu den Antriebsvorrichtungen 17 und lassen Luft aus dem Raum 24 durch den zwischen dem Permanentmagneten 27 und dem Stator 12 gebildeten Spalt und das Rückschlagventil 28 in Richtung des Lagers 8 aus. Daher kann die durch die An­ triebsvorrichtungen 17 erzeugte Wärme effektiv durch die Spal­ te des Lagers 8 abgegeben werden. Gleichzeitig wird neue Luft durch den zwischen der Lenkwelle 1 und den Rotor 7 gebildeten Spalt und den zwischen der Lenkwelle 1 und dem dritten Gehäuse 13 gebildeten Spalt in den Raum 24 durch die Luftdurchlässe 26 hindurch eingeleitet. Die durch die Antriebsvorrichtungen 17 erzeugte Wärme wird ebenso auf die Wärmeabstrahlungsrippen 13a an dem dritten Gehäuse 13 übertragen. Da die Wärmeabstrah­ lungsrippen 13a zwischen den Achsen der lenkbaren Straßenräder angeordnet sind, wie in Fig. 9 gezeigt, wird Stauluft, welche beim Fahren des Fahrzeugs erzeugt wird, direkt auf die Wärme­ abstrahlungsrippen 13a geleitet, um dadurch die Wärme von den Wärmeabstrahlungsrippen 13a effektiv abzuführen.

Eine elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung gemäß ei­ ner zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 10 bis 13 beschrieben. Die elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung gemäß der zweiten Ausfüh­ rungsform entspricht im wesentlichen der elektrisch betriebe­ nen Servolenkungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, da der Stator 12 und die Antriebsvorrichtungen 17 benachbart zueinander angeordnet sind. Die elektrisch betriebene Servo­ lenkungseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist je­ doch dazu eingerichtet, die durch die Antriebsvorrichtungen 17 erzeugte Wärme und die durch den bürstenlosen Motor 6, insbe­ sondere dessen Stator 12, erzeugte Wärme effektiver zu dissi­ pieren. Die in den Fig. 10 bis 13 gezeigten Bauteile, welche zu den in den Fig. 1 bis 9 gezeigten Bauteilen identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Wie in Fig. 10 gezeigt, weist das äußere Gehäuse für die Lenk­ welle 1 ein viertes Gehäuse 30 auf, welches sich von dem bür­ stenlosen Motor 6 nach links erstreckt und durch eine Klammer 31 getragen ist, das vierte Gehäuse 30 weist ein mit einem Ende einer ausziehbaren und kontrahierbaren Abdeckung bzw. eines Balgs 32 verbundenes Ende auf, dessen anderes Ende mit einer Zugstange bzw. Spurstange 33 verbunden ist.

Das vom zweiten Gehäuse 11 entfernte Ende des dritten Gehäuses 13 ist mit einem Ende einer ausziehbaren und kontrahierbaren Abdeckung bzw. eines Balgs 34 verbunden, dessen anderes Ende mit einer Zugstange bzw. Spurstange 35 verbunden ist.

Der Balg 32 des vierten Gehäuses 30, der bürstenlose Motor 6, das dritte Gehäuse 13 und der Balg 34 sind aufeinanderfolgend in Verbindung zueinander gehalten.

Insbesondere ist der oben beschriebene Spalt zwischen dem dritten Gehäuse 13 und der Lenkwelle 1 gebildet, und es gibt ein Spiel bzw. einen Freiraum zwischen dem vierten Gehäuse 30 und der Lenkwelle 1, um der Lenkwelle 1 ein lineares, axiales Bewegen zu ermöglichen.

Daher sind die Innenräume des Balgs 32, des vierten Gehäuses 30, des bürstenlosen Motors 6, des dritten Gehäuses 13 und des Balgs 34 durch diese Spalte und Freiräume als Luftdurchlässe miteinander verbunden. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist ferner ein Rückschlagventil bzw. Einwegeventil 38 zwischen dem den Rippen 25 nahen Ende des Rotors 7 und der Lenkwelle 1 zu­ sätzlich zu dem Rückschlagventil 28, welches wie in den Fig. 7(a) und 7(b) gezeigt arbeitet, angeordnet. Wie in Fig. 13 gezeigt, verhindert das Rückschlagventil 38, daß Luft von rechts, d. h. von dem Raum innerhalb des röhrenförmigen Ab­ schnitts 7a mit kleinerem Durchmesser, in Richtung des Spalts zwischen der Lenkwelle 1 und dem Rotor 7 strömt, und ermög­ licht, daß Luft von links, d. h., von dem Spalt zwischen der Lenkwelle 1 und dem Rotor 7, in Richtung des Raums innerhalb des röhrenförmigen Abschnitts 7a mit kleinerem Durchmesser strömt.

Der in Fig. 10 gezeigte Balg 32 ist mit dem vierten Gehäuse 30 durch eine Verbindung 36 verbunden, welche eine Mehrzahl von z. B. vier Luftablaßlöchern aufweist, welche darin an in Um­ fangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Intervallen angeordnet sind.

Nachfolgend wird der Luftkühlungsvorgang der elektrisch be­ triebenen Servolenkungseinrichtung gemäß der zweiten Ausfüh­ rungsform beschrieben.

Wenn das Lenkrad gedreht wird, erzeugt der Drehmomentsensor ein Erfassungssignal, und verschiedene Steuersignale werden erzeugt, um zu bewirken, daß der bürstenlose Motor 6 unter­ stützende Lenkkräfte erzeugt. Insbesondere wird ein Strom zu dem Stator 12 des bürstenlosen Motors 6 von den Antriebsvor­ richtungen 17 der Antriebsschaltungseinheit 14 geleitet, wo­ durch der Rotor 7 gedreht wird, um die Lenkwelle 1 linear in ihrer axialen Richtung zu bewegen und dadurch das Lenken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.

Wenn die Lenkwelle 1 axial nach rechts bewegt wird, wie in Fig. 11 gezeigt, dann wird der rechte Balg 34 kontrahiert, und der linke Balg 32 wird ausgedehnt. Luft in dem Balg 34 wird komprimiert und sie strömt in der durch die Pfeile bezeichne­ ten Richtung in Richtung des Balgs 32, in welchem ein Unter­ druck aufgebaut ist. Da der Luftdurchlaß zwischen dem Rotor 7 und der Lenkwelle 1 durch das Rückschlagventil 38 geschlossen ist, strömt die Luft durch den zwischen dem dritten Gehäuse 13 und der Lenkwelle 1 gebildeten Spalt und wird durch die Luft­ durchlässe 26 eingeleitet und auf die Antriebsvorrichtungen 17 gerichtet. Nach dem Kühlen der Antriebsvorrichtungen 17 strömt die Luft durch den zwischen dem Rotor 7 und dem Stator 12 ge­ bildeten Spalt und kühlt dadurch den Stator 12. Nach dem Küh­ len des Stators 12 strömt die Luft durch das Rückschlagventil 28 und das Lager 8 in den Freiraum zwischen dem vierten Gehäu­ se 30 und der Lenkwelle 1, von welchem die Luft in den Balg 32 eintritt. Die durch das Kühlen der Antriebsvorrichtungen 17 und des Stators 12 erwärmte Luft wird, während sie durch das Rückschlagventil 28 und das Lager 8 in den Freiraum zwischen dem vierten Gehäuse 30 und die Lenkwelle 1 strömt, gekühlt.

Wenn die Lenkwelle 1 axial nach links bewegt wird, wie in Fig. 12 gezeigt, dann wird der rechte Balg 32 kontrahiert und der linke Balg 34 wird ausgedehnt. Luft in dem Balg 32 wird kom­ primiert und strömt in der durch die Pfeile bezeichneten Rich­ tung in Richtung des Balgs 34, in welchem ein Unterdruck auf­ gebaut wird. Da die durch den Freiraum zwischen dem vierten Gehäuse 30 und der Lenkwelle 1 und ebenso durch das Lager 8 strömende Luft durch das Rückschlagventil 28 blockiert wird, strömt die Luft durch den Spalt zwischen der Schraubmutter 5 und der Kugelumlaufspindel 3 in den zwischen dem Rotor 7 und der Lenkwelle 1 gebildeten Spalt und strömt dann durch das Rückschlagventil 38. Die Luft wird teilweise durch die Luft­ durchlässe 26 gesaugt, um die Antriebsvorrichtungen 17 und den Stator 12 zu kühlen und tritt zum Teil in den Balg 34 ein.

Gemäß der zweiten Ausführungsform werden, wenn die Lenkwelle axial bewegt wird, die Balgen 32, 34 ausgedehnt und kontra­ hiert, um Luft zum sehr effektiven Kühlen der Antriebsvorrich­ tungen 17 und des bürstenlosen Motors 6, insbesondere dessen Stators 12, zu zirkulieren. Daher werden die Antriebsvorrich­ tungen 17, welche nahe dem bürstenlosen Motor 6, der im Be­ trieb Wärme erzeugt, angeordnet sind, effektiv gekühlt und weisen daher keine durch Wärme erzeugte Probleme auf.

Bei der elektrisch betriebenen Servolenkungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Antriebsvorrichtungen 17 in dem dritten Gehäuse 13 des äußeren Gehäuses für die Lenk­ welle 1 nahe dem Stator 12 des bürstenlosen Motors 6 angeord­ net, so daß alle die Antriebsvorrichtungen 17 und den Stator 12 verbindenden elektrischen Leitungen verkürzt sind. Da keine unnötig langen elektrischen Leitungen erforderlich sind, ist der durch einen Widerstand hervorgerufene Energieverlust der­ selben klein, und die elektrischen Leitungen minimieren das Rauschen, wodurch die Antriebsvorrichtungen 17 zuverlässig ihre Funktion erfüllen können. Insofern, als die Antriebs­ schaltungseinheit 14, welche die Antriebsvorrichtungen 17 um­ faßt, in dem dritten Gehäuse 13 angebracht ist, wird die ge­ samte Größe der elektrisch betriebenen Servolenkungseinrich­ tung und ebenso ihr Gewicht verringert. Da die Antriebsvor­ richtungen 17 zu dem Raum 24 hin frei liegen und von den Rip­ pen 25 auf dem Rotor 7 bei einer Drehung des Rotors 7 mit Luft versorgt werden, kann die durch die Antriebsvorrichtungen 17 erzeugte Wärme effektiv dissipiert werden. Die elektrischen Verbinder 9 sind an der Außenfläche des dritten Gehäuses 13 angebracht und durch die Wärmeabstrahlungsrippen 13a umgeben. Daher werden alle zwischen die Stromverbinder 9 und die An­ triebsvorrichtungen 17 geschalteten elektrischen Leitungen vereinfacht, was das Anordnen der Batterie und der Steuerein­ heit mit einem größeren Freiheitsgrad gestattet. Die Wärmeab­ strahlungsrippen 13a sind zum Kühlen der Antriebsvorrichtungen 17 effektiv, welchen somit eine zuverlässige Funktion ohne Fehler ermöglicht wird. Die Kühlkapazität der Wärmeabstrah­ lungsrippen 13a kann durch Stauluft vergrößert werden, wenn sie zwischen den Achsen der lenkbaren Straßenräder angeordnet werden.

Zirkulierende Luft kann durch die Balgen 32, 34 erzeugt wer­ den, wenn diese bei einer linearen, axialen Bewegung der Lenk­ welle 1 ausgedehnt und kontrahiert werden, um die Antriebsvor­ richtungen 17 und den bürstenlosen Motor 6, insbesondere des­ sen Stator 12, effektiver zu kühlen. Daher können die An­ triebsvorrichtungen 17 so nah wie möglich an dem bürstenlosen Motor 6 angeordnet werden.

Obwohl die als bevorzugt betrachteten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne von ihren wesentlichen Charakteristiken ab­ zuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in allen Belangen als darstellend und nicht als einschränkend zu betrachten. Der Umfang der Erfindung ist durch die beiliegen­ den Ansprüche angegeben, nicht durch die vorangegangene Be­ schreibung.

Zusammengefaßt betrifft die vorliegende Erfindung eine elek­ trisch betriebene Servolenkungseinrichtung zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine in Antwort auf eine durch ein Lenkrad ausgeübte manuelle Lenkkraft axial bewegbare Lenk­ welle, wobei die Lenkwelle eine Kugelumlaufspindel aufweist, eine auf die Kugelumlaufspindel geschraubte Schraubmutter, wobei eine Mehrzahl von Kugeln zwischen diesen angeordnet ist, einen bürstenlosen Motor zum Unterstützen der Axialbewegung der Lenkwelle, wobei der bürstenlose Motor einen mit der Schraubmutter gekoppelten Rotor aufweist, der drehbar um die Lenkwelle angeordnet ist, sowie einen von dem Rotor durch ei­ nen ersten Spalt getrennten Stator, ein äußeres Gehäuse mit einer ersten Innenumfangsfläche, welche die Schraubmutter durch ein Lager trägt, eine zweite Umfangsfläche, welche den Stator trägt, und einem benachbarten Abschnitt, welcher be­ nachbart dem bürstenlosen Motor entfernt von der Schraubmutter angeordnet ist, wobei die Lenkwelle in dem äußeren Gehäuse aufgenommen ist, sowie wenigstens eine Antriebsvorrichtung, welche in dem benachbarten Abschnitt nahe dem Stator angeord­ net ist und elektrisch mit dem Stator verbunden ist.

Claims (13)

1. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung, umfas­ send:
eine in Antwort auf eine durch ein Lenkrad angelegte manuelle Lenkkraft axial bewegbare Lenkwelle (1), wobei die Lenkwelle (1) eine Kugelumlaufspindel (3) aufweist;
eine über die Kugelumlaufspindel (3) geschraubte Schraubmutter (5), wobei eine Mehrzahl von Kugel (4) zwischen diesen ange­ ordnet ist;
einen bürstenlosen Motor (6) zum Unterstützen der Axialbewe­ gung der Lenkwelle (1), wobei der bürstenlose Motor (6) einen Rotor (7), welcher mit der Schraubmutter (5) verbunden ist und drehbar um die Lenkwelle (1) angeordnet ist, sowie einen von dem Rotor (7) durch einen ersten Spalt getrennten Stator (12) aufweist;
ein äußeres Gehäuse mit einer ersten Innenumfangsfläche, wel­ che die Schraubmutter (5) durch ein Lager (8) trägt, einer zweiten Innenumfangsfläche, welche den Stator (12) trägt, und einem benachbart dem bürstenlosen Motor (7) von der Schraub­ mutter (5) entfernt angeordneten benachbarten Abschnitt (13), wobei die Lenkwelle (1) in dem äußeren Gehäuse aufgenommen ist; und
wenigstens eine Antriebsvorrichtung (17), welche in dem be­ nachbarten Abschnitt (13) nahe dem Stator (12) angeordnet ist und mit dem Stator (12) elektrisch verbunden ist.

2. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der benachbarte Abschnitt (13) eine dritte Umfangsfläche aufweist, welche zwischen sich und einer Außenumfangsfläche der Lenkwelle (1) einen Raum (24) festlegt, wobei die wenigstens eine Antriebsvorrichtung (17) an der dritten Umfangsfläche angebracht ist und zu dem Raum (24) hin freiliegt.

3. Elektrisch betriebe Servolenkungseinrichtung nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) eine von der Außenumfangsfläche der Lenkwelle (1) durch einen zweiten Spalt getrennte Innenumfangsfläche aufweist, sowie eine Verlängerung (7a), welche sich in den Raum (24) erstreckt und den Raum (24) zwischen sich und der dritten Umfangsfläche des benachbarten Abschnitts (13) fest­ legt, wobei die Verlängerung (7a) an einer Außenumfangsfläche derselben wenigstens eine Rippe (25) aufweist, um bei einer Drehung des Rotors (7) Luft zur wenigstens einen Antriebsvor­ richtung (17) zu leiten.

4. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (7a) eine um die Lenkwelle (1) angeord­ nete und von dieser durch einen dritten Spalt getrennte Röh­ renform aufweist, wobei die Verlängerung (7a) eine Mehrzahl von Rippen (25) aufweist, welche an zueinander im Winkelab­ stand angeordneten Intervallen an der Außenumfangsfläche der­ selben angebracht sind, sowie eine Mehrzahl von Luftdurchläs­ sen (26), welche durch ihre Außenumfangsfläche hindurch gebil­ det sind und den dritten Spalt mit dem Raum (24) verbinden.

5. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Rippen (25) eine schräge Oberfläche aufweist, welche in Richtung des bürstenlosen Motors (6) zunehmend tie­ fer ist.

6. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (25) in Richtung des bürstenlosen Motors (6) zunehmend dünner ist.

7. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (7a) einen Flansch (25b) aufweist, wel­ cher radial von ihrer Außenumfangsfläche nach außen hervor­ steht und die Rippen (25) an ihrem vom bürstenlosen Motor (6) entfernten Enden verbindet.

8. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend ein erstes Rückschlagventil (28), welches zwischen der ersten Innenumfangsfläche des äußeren Gehäuses und einer Außenumfangsfläche einer Verbindung zwischen dem Rotor (7) und der Schraubmutter (5) angeordnet ist, um einen Luftstrom von dem Raum (24) durch den ersten Spalt in Richtung zum Lager (8) hin zu ermöglichen.

9. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend wenigstens einen an einer Außenfläche des benachbarten Abschnitts (13) des äußeren Gehäuses angeordneten und elektrisch mit der wenigstens einen Antriebsvorrichtung (17) verbundenen elektrischen Verbinder (9), sowie eine Mehr­ zahl von Wärmeabstrahlungsrippen (13a), welche von der Außen­ flache des benachbarten Abschnitts (13) hervorstehend, den elektrischen Verbinder (9) umgebend angeordnet sind.

10. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in einem Kraftfahrzeug mit zwei Achsen, worin der benachbarte Abschnitt (13) zwischen den Ach­ sen angeordnet ist, um, während das Kraftfahrzeug fährt Stau­ luft, aufzunehmen.

11. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, in einem Kraftfahrzeug mit zwei Zugstangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwelle (1) entgegengesetzte, jeweils mit den Zugs­ tangen verbundene Enden aufweist und ferner ein Paar von aus­ dehnbaren und kontrahierbaren Abdeckungen (32, 34) umfaßt, welche die Zugstangen und jeweilige Enden des äußeren Gehäuses verbinden, wobei der benachbarte Abschnitt (13) eine vierte Innenumfangsfläche aufweist, welche von der Außenumfangsfläche der Lenkwelle (1) durch einen vierten Spalt getrennt ist, wo­ bei eine der Abdeckungen (32, 34) durch den vierten Spalt, den dritten Spalt und die Luftdurchlässe (26) in Verbindung mit dem Raum (24) gehalten ist.

12. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend ein zweites Rückschlagventil (38), welches zwischen der Innenumfangsfläche des Rotors (7) und der Außenumfangsfläche der Lenkwelle (1) angeordnet ist, um einen Luftstrom von dem zweiten Spalt in Richtung des drit­ ten Spalts zu ermöglichen, wobei die andere der Abdeckungen (32, 34) durch die Schraubmutter (5), den zweiten Spalt, das zweite Rückschlagventil (38), den dritten Spalt und die Luft­ durchlässe (26) in Verbindung mit dem Raum (24) gehalten ist.

13. Elektrisch betriebene Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, ferner umfassend einen zylindri­ schen Basisblock (16) mit einer Innenumfangsfläche, welche den Raum (24) zwischen sich und der Außenumfangsfläche der Verlän­ gerung (7a) festlegt, sowie einer Seitenfläche, welche einen Stapel von ringförmigen Schaltungsplatten daran trägt, die elektrisch mit der wenigstens einen Antriebsvorrichtung (17) verbunden sind, wobei die wenigstens eine Antriebsvorrichtung (17) an dem zylindrischen Basisblock (16) fest angebracht ist, wobei der zylindrische Basisblock (16) eine Außenumfangsfläche aufweist, welche in die Innenumfangsfläche des benachbarten Abschnitts (13) eingesetzt ist und mit Wicklungsanschlüssen (15) des Stators (12) elektrisch verbindbar ist.