DE4420749C1 - Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Lenkwelle, insbesondere eines Deichselfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfas­ sung des Drehmoments an einer Lenkwelle, insbesondere eines Deichselfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Insbesondere bei Kraftfahrzeugen ist bekannt, eine hydro­ mechanische Lenkunterstützung vorzusehen. Bei Flurförder­ zeugen, insbesondere solchen, die mit Batterie betrieben sind, bietet sich häufig eine elektromechanische Servo­ unterstützung für die Lenkung an. Dies insbesondere, weil der Energieverbrauch niedriger ist. Eine hydromechanische Lenkhilfe erfordert eine Pumpe, die ständig angetrieben werden muß.

Eine elektromechanische Lenkhilfe erfordert einen Sensor, der das auf die Lenkwelle aufgebrachte Moment ermittelt. Ein momentenabhängiges Signal wird auf eine geeignete Steuervorrichtung für den Elektromotor zum Antrieb der Lenkwelle bzw. der Lenkmechanik erzeugt. In diesem Zusam­ menhang ist aus der DE-OS 23 19 618 bekanntgeworden, ein mit der Deichsel in Verbindung stehendes Element als Schalt­ organ für den Servolenkantrieb auszubilden. Hierdurch läßt sich jedoch nur ein einziges Moment ermitteln und mithin keine Abhängigkeit der Lenkunterstützung von unterschied­ lichen Lenkmomenten erzeugen. Aus der DE-OS 31 29 115 ist da­ her auch bereits bekanntgeworden, zwischen den Lenkwellen­ abschnitten einen Torsionsstab anzuordnen und die Enden der Lenkwellenabschnitte von einer Hülse umgeben zu lassen, die auf beiden Lenkwellenabschnitten axial verschiebbar und drehbar gelagert ist. Bei einer Relativverdrehung der Lenkwellenabschnitte führt die Hülse eine Axialbewegung aus, die von einem geeigneten Wegaufnehmer erfaßt werden kann. Wegen der fehlenden Reibung bzw. Dämpfung dieses Systems kann es zu unerwünschten Eigenschwingungen im Lenksystem kommen. Zwar wäre eine elektronische Dämpfung in der Lenksteuerung denkbar, sie verschlechtert indessen das Ansprechverhalten des Systems.

Aus der DE 35 46 555 ist eine Lenkhilfe für Kraftfahrzeuge bekanntgeworden. Die hierfür vorgesehene elektromechani­ sche Anordnung soll lediglich bei geringen Fahrgeschwin­ digkeiten wirksam sein, zum Beispiel beim Einparken. Auf eine proportionale Regelung des Lenkhilfemotors wird ver­ zichtet. Die Lenkmomentsensoren sind einfache Schaltkon­ takte für drehrichtungsbezogenes Ein- und Ausschalten des Lenkhilfemotors. Die Lenkmomentsensoren ermöglichen zwar eine Mittellage, für die Verdrehwinkel-Kennlinie ergibt sich indes sen ein hysteresebehafteter Nulldurchgang. Da­ durch ist für die Signalkennlinie kein hysteresefreier Nulldurchgang gewährleistet. Es besteht daher die Gefahr, daß ein feinfühliges Lenken bei aktiver Lenkhilfe kaum möglich ist.

Es ist ferner bekannt, einen Kupplungsabschnitt eines Lenkwellenabschnitts mit einer Schrägverzahnung zu verse­ hen, während ein Kupplungsabschnitt des anderen Lenkwel­ lenabschnitts als Kugelkäfig ausgebildet ist, wobei die Kugeln in die Verzahnung eingreifen. Mit dem Käfig wirkt außerdem eine axial verschiebbare Hülse zusammen, die ihrerseits mit einem Drehpotentiometer zusammenwirkt, das die Auslenkungen der Hülse in elektrische Signale verwan­ delt. Hierbei wird zwar eine gewisse Dämpfung im Bereich der Nullposition erhalten, diese ist jedoch naturgemäß gering und im wesentlichen abhängig von der Reibung der Kugeln in den Nuten.

Die bekannten Drehmomentsensoren sind üblicherweise für mehrfache Umdrehungen der belasteten Welle ausgelegt. Da­ her muß das Drehmoment innerhalb der drehenden Welle er­ faßt werden und als Signal auf die feststehende Umgebung übertragen werden. Ein übliches Prinzip für diesen Zweck, wie oben bereits erwähnt, ist die Umsetzung einer Torsions­ bewegung in die axiale Verschiebung eines mitdrehenden Teils. Diese Verschiebung kann von einem feststehenden elektronischen Sensor berührungsfrei erfaßt werden (z. B. induktiv oder kapazitiv). In der Regel können nur relativ kleine mechanische Bewegungen erzeugt werden. Diese Teile müssen daher sehr genau gefertigt und justiert werden. Zu­ sätzlich benötigen die Sensoren eine Verstärkerelektronik in unmittelbarer Nähe. Durch diesen hohen Aufwand entsteht ein beträchtlicher Anteil der Herstellkosten für die Ser­ volenkung. Für deichselgelenkte Fahrzeuge, insbesondere Flurförderzeuge, ist der Aufwand oft zu hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Lenkwelle, insbeson­ dere eines Deichselfahrzeugs, zu schaffen, die mit einem geringen Aufwand hergestellt werden kann und schwingungs­ dämpfend wirkt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben die Lenkwel­ lenabschnitte eine exakte Nullposition, in die sie automa­ tisch exakt zurückkehren, wenn das Lenkmoment, das zu einer Relativverdrehung der Lenkwellenabschnitte führt, reduziert wird. Da außerdem das Auslenken aus dem Null­ punkt zunächst ein Mindestlenkmoment erfordert, wird die Nullposition oder die Mittellage nur verlassen, wenn ein bestimmtes Niveau für das Lenkmoment erzielt wird. Eine derartige Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt zu einer schwingungsdämpfenden Erfassung des Lenk­ moments, wobei trotzdem ein hysteresefreier Nulldurchgang erhalten wird, was sehr wichtig ist, da Lenkbewegungen zu beiden Seiten einer Mittellage naturgemäß erforderlich sind.

Es sind verschiedene konstruktive Möglichkeiten denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung zu realisieren. Eine be­ steht nach einer Ausgestaltung der Erfindung darin, daß mindestens ein Gleitstück beweglich in einem Lenkwellenab­ schnitt gelagert ist und mittels einer Feder in eine zen­ trierende Ausnehmung des anderen Lenkwellenabschnitts ge­ drückt wird. Das Gleitstück kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine Kugel sein, die mit einem kegeligen Sitz im anderen Lenkwellenabschnitt zusammenwirkt. Unter­ halb eines bestimmten Lenkmoments erfolgt keine Relativ­ drehung der Lenkwellenabschnitte. Erst wenn dieses Lenkmo­ ment überschritten ist, rutscht das Gleitstück in der Aus­ nehmung zum Ausnehmungsrand und erlaubt damit eine Rela­ tivdrehung der Lenkwellenabschnitte, die von einem geeig­ neten Wegaufnehmer erfaßt werden kann. Hierzu wird vor­ zugsweise ein Getriebe zwischen den Teilen angeordnet, das auf den Wegaufnehmer wirkt. Das Gleitstück bzw. die Kugel wirkt unter erheblicher Reibung mit der Ausnehmung des an­ deren Lenkwellenabschnitts zusammen, so daß ein stark schwingungsdämpfender Effekt entsteht. Mit Hilfe der vor­ gespannten Feder, deren Rückstellkraft verstellbar gemacht werden kann, kann trotz der Reibung die Rückkehr in die exakte Null- oder Mittellage sichergestellt werden.

Eines oder mehrere Gleitstücke können über Stirnflächen an den Enden der Lenkwellenabschnitte zusammenwirken. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein innerer Kupplungsabschnitt des Lenkwellenab­ schnitts in einen äußeren Kupplungsabschnitt des anderen Lenkwellenabschnitts eingreift und das Gleitstück im inne­ ren Kupplungsabschnitt radial beweglich gelagert ist und in die zugekehrte Ausnehmung des äußeren Kupplungsab­ schnitts eingreift. Es versteht sich, daß das Gleitstück auch im äußeren Kupplungsabschnitt gelagert sein kann, diese Konstruktion erfordert jedoch ein größeres Bauvolu­ men. In der Wirkung ergibt sich indessen kein Unterschied. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der äußere Kupplungsabschnitt topfförmig sein und den äußeren Kupplungsabschnitt in Form einer Hülse drehbar lagern, wo­ bei vorzugsweise ein geeignetes Wälzlager zwischengeordnet ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der äußere Kupplungsabschnitt über einen Gabelabschnitt mit dem Lenkwellenabschnitt verbunden ist, zwischen den Gabelarmen ein Hebelgetriebe angeordnet ist zur Erzeugung eines Verstellwegs bei Relativdrehung der Lenkwellenab­ schnitte und ein Wegaufnehmer zwischen den Gabelarmen an­ geordnet ist, der über eine flexible oder anderweitig län­ genveränderbare Leitung mit einem stationären Empfänger verbunden ist. Der Hebel kann nach einer weiteren Ausge­ staltung der Erfindung nahe einem Ende um eine Achse pa­ rallel zur Drehachse schwenkbar am inneren Kupplungsab­ schnitt gelagert sein, wobei ein Vorsprung des äußeren Kupplungsabschnitts mit dem kürzeren Hebelarm zusammen­ wirkt, während der Wegaufnehmer mit dem längeren Hebelarm zusammenwirkt. Auf diese Weise wird eine erhebliche Über­ setzung erhalten, wodurch der Schwenkwinkel des längeren Hebelarms ein Vielfaches der Verdrehung zwischen den Lenk­ wellenabschnitten beträgt. Der Verschwenkwinkel des Hebels kann zum Beispiel zu einer Verdrehung eines Drehpotentio­ meters führen.

Die Verdrehung der Lenkwellenabschnitte ist naturgemäß zu begrenzen. Hierzu sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß im inneren Ende des äußeren Kupplungsabschnitts eine Scheibe befestigt ist mit einer Öffnung und der in­ nere Kupplungsabschnitt einen Zapfen aufweist, der beid­ seitig einer Mittelstellung, die der Nullstellung der Lenkwellenabschnitte entspricht, in der Öffnung begrenzt beweglich gelagert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Drehmoment­ sensor gleichzeitig Schwingungsdämpfer. Es kann ein höhe­ res Drehmoment übertragen werden als es dem eigentlichen Arbeitsbereich entspricht. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung erlaubt ein weiches ruckfreies Einsetzen der Lenkun­ terstützung, wobei die Lenkkräfte einerseits nicht zu hoch sind, was sonst zu Ermüdungserscheinungen führen würde, aber auch nicht zu niedrig. Insbesondere bei deichselge­ lenkten Fahrzeugen muß beachtet werden, daß durch Un­ gleichgewicht verursachte vom Fahrer auf die Deichsel auf­ gebrachte Kräfte nicht zu unerwünschten Lenkausschlägen führen. Bei relativ stark vorgespanntem Sensor ist die innere Reibung als Kraftüberhöhung am Anfang einer Lenk­ bewegung spürbar. Bei schnellen Lenkbewegungen kann der Lenkmotor "überholt" werden und die Handkräfte steigen spürbar an. Da der stehende Fahrer sich selbst zum Teil an der Deichsel abstützt, dient dieser Effekt der Sicherheit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung nach der Erfin­ dung in Verbindung mit einem deichselgesteuerten Fahrzeug.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung zur Bestimmung des Lenkmoments.

Fig. 3 zeigt die Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 2 in Richtung Pfeil 3.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 3, jedoch in einer anderen Betriebsstellung.

Fig. 5 zeigt die Kennlinie für die Vorrichtung nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein deichselgelenktes Fahrzeug 10 perspek­ tivisch schematisch dargestellt nur mit einem vorderen Lenkschemel 12. Eine Verdrehung des Lenkschemels 12 er­ folgt mit Hilfe einer Lenkwelle 14, die in zwei Lenkwellen­ abschnitte 16, 18 unterteilt ist, die in einer Vorrichtung 20 zur Bestimmung des Lenkmoments gekoppelt sind. Signal­ leitungen von der Vorrichtung 20 gehen zu einer Steuervor­ richtung 24, die abhängig von den Signalen in der Leitung 22 ein Stellsignal für einen Motor 26 erzeugt, das über ein Getriebe 28 auf den Lenkschemel 12 wirkt. Die Steuer­ vorrichtung 24 ist von einer Batterie 30 angetrieben, ebenso wie Motor 26 und Motor 32 zum Antrieb eines Rades des Lenkschemels 12. Nachfolgend wird die Vorrichtung 20 anhand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert.

Der Lenkwellenabschnitt 16 ist über einen gabelartigen Ab­ schnitt 34, von dem ein Arm 36 sowie der Steg 38 zu erken­ nen sind, mit einem hülsenförmigen Kupplungsabschnitt 40 verbunden, der mittels Nadellagern 42 drehbar, jedoch axial fest auf einem Kupplungsabschnitt 44 gelagert ist, der Teil des Lenkwellenabschnitts 18 ist. Die axiale Fest­ legung der Hülse 40 bewirkt eine Sperrung 41. Im Kupplungs­ abschnitt 44 ist eine radiale gestufte Bohrung 46 geformt, in der eine Kugel 48 radial beweglich ist. Die Kugel sitzt in einem kegeligen Sitz 50 des hülsen- oder topfför­ migen Kupplungsabschnitts 40 ein. Sie wird in diese Posi­ tion vorgespannt von einer Tellerfeder 52, die sich auf einem beweglichen, von der Bohrung 46 geführten Widerlager 54 abstützt und das seinerseits von einem Gewindebolzen 56 abgestützt ist, der in einem Gewinde des Kupplungsab­ schnitts 44 einsitzt. Durch Verdrehung des Gewindebolzens 46 kann die Vorspannung der Feder 52 verändert werden.

Mit der dem Lenkwellenabschnitt 16 zugekehrten Seite des Kupplungsabschnitts 44 ist eine Scheibe 58 fest verbunden, die eine längliche Öffnung 60 aufweist (siehe auch Fig. 3 und 4), in die hinein ein länglicher Zapfen 62 in Fort­ setzung des zylindrischen Kupplungsabschnitts 44 steht. Mit dem Zapfen ist ein außermittig Lagerstift 66 verbunden, auf dem ein Hebel 68 schwenkbar gelagert ist, der an sei­ nem oberen Ende einen offenen Schlitz 70 aufweist, in den hinein ein Stift 72 steht, der sich achsparallel erstreckt und fest mit der Scheibe 58 verbunden ist. Am anderen Ende des längeren Hebelarms sitzt ein Stift 74, der mit einem Hebel 76 eines Drehpotentiometers 78 zusammenwirkt, das am Steg 38 des gabelförmigen Abschnitts 34 angebracht ist. Mit dem Potentiometer 78 ist die Übertragungsleitung 22 (Fig. 1) verbunden. Sie ist mit Hilfe einer Schelle 80 oder dergleichen am Lenkwellenabschnitt 16 befestigt.

Wird unterhalb eines vorgegebenen Lenkmoments M1 auf den Lenkwellenabschnitt 16 eine Lenkkraft aufgebracht, wird diese ohne eine Relativdrehung zwischen den Lenkwellenab­ schnitten 16, 18 auf den Lenkwellenabschnitt 18 und damit auf den Lenkschemel übertragen. Übersteigt indessen die Lenkkraft das Moment M1, rutscht die Kugel 18 zum Rand der kegeligen Ausnehmung 50 unter Verformung der Feder 52, wo­ durch eine Relativdrehung zwischen den Kupplungsabschnit­ ten 44, 40 bzw. den Lenkwellenabschnitten 16, 18 stattfin­ det. Damit erfolgt auch eine Relativdrehung des Stiftes 72 gegenüber dem Hebel 68, der mithin um einen gewissen Win­ kel verschwenkt wird. Dadurch wird auch der Stift 74 ver­ schwenkt und verdreht das Potentiometer 78, so daß dies ein elektrisches Signal erzeugt für die Servolenkung. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, führt eine Auslenkung des Stiftes 72 um 6° zu einer Verschwenkung des Stiftes 74 um 21,4°. Geringe Relativdrehungen führen daher zu einem ausreichend großen Wegesignal, so daß für ein sicheres Ansprechen der Lenkhilfe nur ein geringes Spiel in der Lenkung erforder­ lich ist. Die maximale Relativdrehung zwischen den Kupp­ lungsabschnitten 40, 44 wird durch die Verdrehmöglichkeit des Zapfens 62 in der Öffnung 60 vorgegeben. Auch bei aus­ fallender Lenkhilfe läßt sich auf mechanische Weise wei­ terhin eine Lenkung durchführen.

Die beschriebenen Verhältnisse sind anhand der Kennlinie nach Fig. 5 erkennbar. Der Beginn der Relativdrehung ist mit M1 bezeichnet. Das Sensorsignal Us steigt danach bis zu einem vorgegebenen Betrag an, wird jedoch nicht größer, weil dann die Maximalverdrehung zwischen den Kupplungsab­ schnitten erreicht ist. Wird danach die Kraft an der Deich­ sel reduziert, bleibt die Auslenkung zunächst erhalten und kehrt erst dann allmählich gegen Null zurück, wobei das Erreichen der Nullinie bei M2 in deutlichem Abstand zum Nullpunkt stattfindet.

Es sei noch nachzutragen, daß der beschriebene Sensor zur Drehmomenterfassung nach Fig. 3 von zwei Kunststoffkappen 82, 84 gegen Verschmutzung geschützt ist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments an einer Lenk­ welle, insbesondere eines Deichselfahrzeugs, mit einer Kopplung von Lenkwellenabschnitten derart, daß beim Aufbringen eines Lenkmoments die Lenkwellenabschnitte gegen Federkraft eine Relativdrehung ausführen, und einem Getriebe zur Erfassung der Relativdrehung, das mit einem Wegaufnehmer gekoppelt ist zur Erzeugung eines elektrischen Signals für einen Servomotorantrieb für die Lenkwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwellenabschnitte (16, 18) so gekoppelt sind, daß sie eine exakte Nullposition aufweisen, vor Erreichen einer Relativdrehung ein vorgegebenes Lenkmoment (M1) aufgebaut wird und die Nullposition bei einem Lenkmo­ ment (M2) erreicht wird, das kleiner als das vorgege­ bene Lenkmoment (M1) und deutlich größer als Null ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gleitstück (48) beweglich in einem Lenkwellenabschnitt (44) gelagert ist und mittels einer Feder (52) in eine zentrierende, vorzugsweise keglige Ausnehmung (50) des anderen Lenkwellenabschnitts (40) gedrückt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück eine Kugel (48) ist, die in einer kegeligen Ausnehmung (50) des anderen Lenkwellenab­ schnitts (40) einsitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Federvorspannung für das Gleitstück (48) verstellbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Kupplungsabschnitt (44) des einen Lenkwellenabschnitts (18) in einen äußeren Kupplungsabschnitt (40) des anderen Lenkwellenab­ schnitts (16) eingreift und das Gleitstück (48) im in­ neren Kupplungsabschnitt (44) radial beweglich gelagert ist und in die zugekehrte Ausnehmung (50) des äußeren Kupplungsabschnitts (40) eingreift.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kupplungsabschnitt (40) topfförmig und drehbar auf dem inneren Kupplungsabschnitt (44) gela­ gert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Lenkwellenabschnitten An­ schläge zusammenwirken, die nach begrenzter Relativdre­ hung die Lenkwellenabschnitte rotativ koppeln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der äußere Kupplungsabschnitt (40) über einen Gabelabschnitt (34) mit dem Lenkwellenabschnitt (16) verbunden ist, zwischen den Gabelarmen (36) ein Hebel­ getriebe (68) angeordnet ist zur Erzeugung eines Ver­ stellwegs bei Relativdrehung der Kupplungsabschnitte (40, 44) und ein Wegaufnehmer (78) zwischen den Gabel­ armen (36) angeordnet ist, der über eine flexible oder längenveränderbare Leitung (22) mit einem stationären Empfänger (24) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hebel (68) nahe einem Ende um eine Achse pa­ rallel zur Drehachse der Lenkwelle am inneren Kupp­ lungsabschnitt (44) gelagert ist, ein Vorsprung (72) des äußeren Kupplungsabschnitts (40) mit dem kürzeren Hebelarm zusammenwirkt, während der Wegaufnehmer (78) mit dem längeren Hebelarm zusammenwirkt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wegaufnehmer ein Drehpotentiometer (78) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Ende des äußeren Kupp­ lungsabschnitts (40) eine Scheibe (58) befestigt ist mit einer Öffnung (60) und der innere Kupplungsab­ schnitt (44) einen Zapfen (62) aufweist, der beidseits einer Mittelstellung, die der Nullstellung der Lenk­ wellenabschnitte (16, 18) entspricht, in der Öffnung (60) begrenzt drehbar gelagert ist.