DE68907448T2

DE68907448T2 - Elektromagnetische Kontrollvorrichtung zur Änderung der vom Fahrer aufzubringenden Lenkkraft einer hydraulischen Servolenkung.

Info

Publication number: DE68907448T2
Application number: DE89305169T
Authority: DE
Inventors: James Wallace Babineau; David Wayne Graber; Andrzej Marian Pawlak; Jeffery Alan Zuraski
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1988-06-27
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2009-05-24
Also published as: EP0349116A3; DE68907448D1; AU3607589A; KR930001861B1; BR8903119A; EP0349116B1; JPH07121699B2; ES2041995T3; US4871040A; JPH0245271A; EP0349116A2; AU619847B2; KR910001292A

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische hydraulische Servolenkungseinrichtung und insbesondere eine elektromagnetische Steuereinrichtung zur Änderung der Lenkkraft, die von einem Fahrer aufzubringen ist, um ein gegebenes Maß an Kraftunterstützung zu erzeugen.
Zu der herkömmlichen hydraulischen Servolenkungseinrichtung gehören ein hydraulisches Betätigungsglied, um die Lenkverbindung im Verhältnis zu der ihr zugeführten Flüssigkeitsmenge zu bewegen, und eine drehbare hydraulische Steuerventilanordnung zur Steuerung der Flüssigkeitsmenge an das Betätigungsglied im Verhältnis zu dem von dem Fahrer ausgeübten Lenkdrehmoment. Das Steuerventil weist im allgemeinen einen zylindrischen Ventilkörper, der in dem Ventilgehäuse drehbar ist, und eine Ventilspule, die drehbar in dem Ventilkörper vorgesehen ist, auf. Eine Hydraulikflüssigkeit wird einer Ausnehmung, die in der Ventilspule ausgebildet ist, zugeführt, und in dem Ventilkörper ist eine Nut vorgesehen, um eine Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zu dem Wert der relativen Drehung zwischen der Spule und dem Ventilkörper aufzunehmen. Die so aufgenommene Flüssigkeit wird dann dem hydraulischen Betätigungsglied zugeführt, so daß eine Lenkunterstützung im Verhältnis zu der relativen Drehung zwischen dem Ventilkörper und der Spule entwickelt wird.
Die Ventilspule wird manuell durch den Fahrer des Fahrzeugs gedreht und ist über eine Leerlaufkupplung mit der Lenkverbindung verbunden, um diese mechanisch zu betätigen. Ein federndes Element wie eine Torsionsstange kuppelt die Ventilspule und den Ventilkörper zur Bereitstellung einer Zentrierkraft, um die Ventilspule und den Ventilkörper auszurichten und eine relative Drehung zwischen diesen im Verhältnis zu dem von dem Fahrer ausgeübten Lenkdrehmoment zumindest innerhalb der Grenzen der Leerlaufkupplung zu gestatten.
Bei einer Einrichtung der zuvor beschriebenen Art hängt die Größe der Fahrerlenkkraft, die erforderlich ist, um ein bestimmtes Maß an Kraftunterstützung zu erzeugen, in erster Linie von der Federsteifigkeit der Torsionsstange ab. Wenn die Torsionsstange eine relativ hohe Federsteifigkeit hat, ist ein relativ niedriges Maß an vom Fahrer aufzubringender Lenkkraft erforderlich. Dies ist allgemein wünschenswert bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten, bei denen relativ hohe Lenkkräfte erforderlich sind. Wenn die Torsionsstange eine relativ niedrige Federsteifigkeit hat, ist ein relativ hohes Maß an vom Fahrer aufzubringender Lenkkraft erforderlich. Dies ist im allgemeinen bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten wünschenswert, bei denen relativ niedrige Lenkkräfte erforderlich sind.
Um den zuvor beschriebenen technologischen Kompromiß zu überwinden, sind verschiedene Anordnungen zur Änderung der vom Fahrer aufzubringenden Lenkkraft für ein gegebenes Maß an Kraftunterstützung als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgeschlagen worden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in dem US-Patent Nr. 4,629,025 angegeben. Bei dieser Anordnung wird ein gesteuerter Teil der Hydraulikpumpenausstoßmenge dem Flüssigkeitstank der Hydraulikpumpe zurückgeführt, um den Flüssigkeitsfluß zu dem Lenkbetätigungsglied mit anwachsender Fahrzeuggeschwindigkeit zu reduzieren. Die JP-A- 61-241271 offenbart ein Lenksystem mit einer elektromagnetischen Steuereinrichtung zur Änderung der von dem Fahrer aufzubringenden Lenkkraft gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zu einer hydraulischen Servolenkungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gehören ein Paar von hydraulischen Elementen, die relativ zueinander drehbar und zwischen einer von einem Fahrer betätigbaren Lenkwelle und einem Lenkritzel vorgesehen sind, wobei die hydraulischen Elemente einen hydraulischen Fluß zur Erzeugung einer Servolenkungskraft im Verhältnis zu ihrer relativen Drehung erzeugen können, so daß die vom Fahrer an die Lenkwelle angelegte Lenkkraft ein entsprechendes Maß an Servolenkungskraft erzeugt; und eine elektromagnetische Steuereinrichtung zur Bildung einer federnden Drehkupplung zwischen den hydraulischen Elementen; wobei zu der elektromagnetischen Steuereinrichtung ein drehbarer magnetischer Kreis mit einem ersten magnetischen Element, das mit einem Element des Paares hydraulischer Elemente drehfest verbunden ist, und einem zweiten magnetischen Element, das drehfest mit dem anderen Element des Paares hydraulischer Elemente verbunden ist, wobei das erste und das zweite magnetische Element mechanisch miteinander gekuppelt sind, um eine magnetische Drehkupplung zwischen den hydraulischen Elementen zu bilden, die einer relativen Drehung der hydraulischen Elemente von einer zentrierten relativen Position von minimaler Servolenkungskraft widersteht; wobei die Lenkungseinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektromagnetische Steuereinrichtung weiterhin einen stationären magnetischen Kreis aufweist, zu dem eine stationäre erregbare Spule gehört, die magnetisch mit einem der ersten und zweiten magnetischen Elemente zur Steuerung der Stärke der magnetischen Drehkupplung gekuppelt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Servolenkungseinrichtung mit herkömmlichen relativ zueinander drehbaren Ventilspulen- und Ventilkörperhydraulikelementen zur Flußregulierung, und einem integralen elektromagnetischen Mechanismus, der eine Kupplung von variabler Federsteifigkeit zwischen der Ventilspule und dem Ventilkörper bildet, um die Lenkkraft, die vom Fahrer zur Erzeugung eines bestimmten Maßes an Kraftunterstützung aufzubringen ist, einzustellen.
Zu dem integralen elektromagnetischen Mechanismus dieser Erfindung gehören ein drehbarer magnetischer Kreis und ein stationärer magnetischer Kreis. Der drehbare magnetische Kreis weist ein Paar von relativ zueinander drehbaren Elementen auf von denen eines verzahnt ist, um einen magnetischen Fluß zu leiten, und von denen eines Permanentmagneten zur Schaffung einer Permanentmagnetkupplung aufweist.
In der dargestellten Ausführungsform wird das verzahnte Element durch ein Paar axial verschobener magnetischer Polstücke gebildet, und das Permanentmagnetelement wird durch ein Scheibenelement, das zwischen den magnetischen Polstücken angeordnet ist, gebildet. Das Scheibenelement ist zur Drehung mit der Eingangs- (vom Fahrer betätigten) Lenkwelle getragen, und die Polstücke sind zur Drehung mit der Ausgangs- (Ritzel) Lenkwelle getragen. Das Scheibenelement ist in Axialrichtung magnetisiert, um eine geradzahlige Anzahl N von sich in Radialrichtung erstreckenden Sektoren wechselnder magnetischer Polarität zu definieren. Die drehbaren Polstücke haben jeweils N/2-Zähne, die sich in Richtung der entsprechenden Axialflächen des Scheibenelements erstrecken. Zu dem stationären magnetischen Kreis gehören mindestens eine ringförmige Erregerspule, die um den drehbaren magnetischen Kreis herum angeordnet ist, und ferromagnetische Polelemente, die neben den drehbaren magnetischen Polstücken positioniert sind.
Die obigen Elemente definieren zwei magnetische Flußpfade: einen Permanentmagnetflußpfad, zu dem nur die Elemente des drehbaren magnetischen Kreises (unter Vernachlässigung des Leckageflusses) gehören, und ein elektromagnetischer Flußpfad, zu dem sowohl die Elemente des stationären als auch des drehbaren magnetischen Kreises gehören. Die drehbaren Polstücke und das Scheibenelement sind so orientiert, daß (1) wenn sich die Anordnung in der zentrierten Stellung befindet, beide Flußpfade im magnetischen Gleichgewicht stehen, und (2) wenn eine relative Drehung zwischen der Eingangs- und der Ausgangs-Lenkwelle stattfindet, der Fluß in den beiden Pfaden phasengleiche Zentrierkräfte entwickelt, die dazu tendieren, die Anordnung in die zentrierte Stellung zurückzubringen. Die aufgrund des elektromagnetischen Flußpfades auftretende Kraft ist über einen weiten Bereich in Abhängigkeit der Stromstärke und Richtung des Stroms, der der ringförmigen Erregerspule zugeführt wird, veränderbar, und ein solcher Strom kann im Verhältnis zu der Fahrzeuggeschwindigkeit bereitgestellt werden, um eine geschwindigkeitsabhängige Beziehung zwischen dem Fahrereingangsdrehmoment und dem Servodrehmoment herzustellen.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Mechanismus dieser Erfindung in Kombination mit einer herkömmlichen Torsionsstange verwendet, um eine veränderbare federnde Kupplung zwischen den hydraulischen Flüssigkeitszuführelementen zu definieren. Die Kombination der Torsionsstange und des Permanentmagnetflußpfades schafft eine Kupplung von mittlerer Federsteifigkeit, um ein mittleres Maß an Lenkunterstützung für eine vorgegebene Fahrerlenkkraft zu erzeugen. Eine variable Erregung der Erregerspule mit Strom einer Polarität erhöht veränderbar die Federsteifigkeit der Kupplung, so daß mehr Lenkkraft vom Fahrer aufzubringen ist, um ein bestimmtes Maß an Kraftunterstützung zu erzeugen. Eine variable Erregung der Erregerspule mit Strom der entgegengesetzten Polarität verringert variabel die Federsteifigkeit der Kupplung, so daß weniger Lenkkraft vom Fahrer aufzubringen ist, um ein bestimmtes Maß an Kraftunterstützung zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Spulenerregung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges tabellarisiert, so daß das Maß an Lenkunterstützung mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt. Ein Fahrerwahleingang kann auch verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Servolenkungsventilanordnung, die den integralen elektromagnetischen Mechanismus dieser Erfindung beinhaltet, und ein Blockdiagramm einer (computerunterstützten) Steuereinheit hierfür darstellt;
Fig. 2a, 2b und 2c schematisch eine abgewickelte Ansicht des drehbaren magnetischen Kreises des in Fig. 1 gezeigten elektromagnetischen Mechanismus ist;
Fig. 3 die Zentrierkräfte zeigt, die durch den elektromagnetischen Mechanismus von Fig. 1 als Funktion der Lenkwellendrehung bei einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt wird;
Fig. 4 die Änderung der vom Fahrer aufzubringenden Lenkkraft darstellt, die durch das Steuerventil und die Steuereinheit der Fig. 1 bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten erreicht wird; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm ist, das repräsentativ für Computerprogrammbefehle ist, die durch die (computerunterstützte) Steuereinheit der Fig. 1 bei der Steuerung der Erregung des elektromagnetischen Mechanismus dieser Erfindung ausgeführt werden.
Wie Fig. 1 zeigt, bezeichnet die Bezugsziffer 10 einen Teil eines hydraulischen Servolenkungsantriebs mit einer Zahnstange und einem Ritzel für ein Kraftfahrzeug, der nachfolgend mit Lenkantrieb bezeichnet wird. Der Lenkantrieb 10 ist in einem (zweiteiligen) Gehäuse 12 angeordnet, in dem eine (zylindrische glattwandige) Bohrung 14 vorgesehen ist. Eine (zylindrische drehbare) Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16, die in der Bohrung 14 angeordnet ist, weist eine (längliche zylindrische) Spulenwelle 18 auf, die drehbar in dem Gehäuse 12 durch eine Lageranordnung 20 gelagert ist. Das innenseitige Ende der Spulenwelle 18 ragt zur Verbindung mit einer herkömmlichen Lenkwelle und einem von einer Bedienperson betätigbaren Handrad, welche nicht gezeigt sind, durch eine ringförmige Flüssigkeitsdichtung 22.
Das außenseitige Ende der Spulenwelle 18 ist, wie durch die Bezugsziffe 24 angedeutet ist, über eine Keilwellenverbindung mit einem (länglichen) Ritzelrad 28 derart verbunden, daß zwischen ihnen eine Leerlaufkupplung gebildet ist. Das Ritzelrad 28 ist drehbar in dem Gehäuse 12 durch ein Gleitlager 30 und eine Kugellageranordnung 32, die einen Kegelbereich 34 des Ritzelrads 28 aufnimmt, angeordnet. Eine Mutter 36, die auf das außenseitige Ende des Kegelbereiches 34 aufgeschraubt ist, verbindet das Ritzelrad 28 mit dem Gehäuse. Eine tassenförmige Abdeckung 38 ist durch Reibschluß in das Ende des Gehäuses 12 eingepaßt, um einen Wartungszugriff bereitzustellen.
Die Zähne des Ritzelrades 28 kämmen mit dem verzahnten Abschnitt 40 einer (länglichen) Zahnstange 42, die für eine lineare Gleitbewegung in dem Gehäuse 12 angeordnet ist. Die Zahnstange 42 ist mit den lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeuges durch geeignete Kugelgelenke und Verbindungsstangen, die nicht gezeigt sind, wirkverbunden. Bei einer solchen Anordnung dreht eine lineare Bewegung der Zahnstange 42 die lenkbaren Räder des Kraftfahrzeuges, um das Kraftfahrzeug zu lenken.
Die Zahnstange 42 ist auch mit einem nicht dargestellten fluidbetätigten Servozylindermechanismus oder -betätigungsglied gekuppelt, um eine lenkungsunterstützende Kraft auf die Zahnstange 42 auszuüben. Wie nachfolgend beschrieben kann die Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16 die Hydraulikflüssigkeit Rechtsdreh- oder Linksdrehkammern des Servozylinders zuführen, um eine rechts- oder linkslenkende Unterstützungskraft auf die Zahnstange 42 auszuüben. Ein Servozylinder, der der obigen Beschreibung genügt, ist im Detail in dem US-Patent 4,454,801 beschrieben, wobei der Inhalt dieses Patentes hier zum Offenbarungsgehalt gemacht wird.
Ein enger kämmender Eingriff zwischen den Zähnen des Ritzelrades 28 und der Zahnstange 42 wird durch einen Zahnstangenkontaktschuh 46 erreicht, der in einer Gehäusebohrung 47 gleitbar angeordnet ist. Eine Schraubenfeder 48, die zwischen dem Zahnstangenkontaktschuh und einem Einstellbolzen 50 angeordnet ist, setzt den Zahnstangenkontaktschuh 40 unter Spannung. Der Einstellbolzen 40 ist in das Ende der Gehäusebohrung 47 eingeschraubt und kann darin in Axialrichtung eingestellt werden, um die Federkraft zu ändern. Eine Einstellbolzenmutter 52 hält den Einstellbolzen 50 in einer gewählten Position.
An der Spulenwelle 18 der Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16 ist eine (zylindrische) Ventilspule 54 ausgebildet. Die Ventilspule 54 hat eine Mehrzahl von (kreisringförmigen, sich in Axialrichtung erstreckenden) Öldurchgangsschlitzen 56, die an ihrem Umfang vorgesehen sind. Die Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16 weist weiterhin einen (zylindrischen) Ventilkörper auf, der drehbar in der Bohrung 14 der Ventilspule 54 angeordnet ist. Das außenseitige Ende des Ventilkörpers 64 steht über das Ende des Ritzelrades 28 hinaus und ist mit diesem durch einen radialen Zapfen 66 antriebsverbunden. Die Ventilspule 54 und der Ventilkörper 64 definieren hydraulische Elemente.
Der Ventilkörper 64 bildet Rechtsdreh-, Zuführ- und Linksdrehkammern 76, 78, 80 zwischen sich und der Ventilbohrung 14. Eine Hydraulikpumpe 82 führt der Zuführkammer 78 eine Flüssigkeit zu, und diese Flüssigkeit wird den Rechtsdreh- und Linksdrehkammern 76, 80 über die Öldurchgangsschlitze 56 der Ventilspüle 54 und gebohrte Passagen 84 und 86 in Abhängigkeit von der Richtung und den Grad der relativen Drehung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 zu. Die Rechtsdreh- und Linksdrehkammern 76, 80 sind mit den rechten (RE) und linken (LI) Kammern des Servozylinders (Betätigungsglied) wie angedeutet verbunden, um in der Zahnstange 42 eine entsprechend große Lenkungsunterstützungskräft in der zuvor beschriebenen Weise zu erzeugen. Eine Auslaßkammer 88 führt die Hydraulikflüssigkeit in einen Flüssigkeitstank 68 der Hydraulikpumpe 82 zurück. Eine detaillierte Beschreibung der Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16 und von dessen Hydrauliksystem ist in dem zuvor genannten US-Patent Nr. 4,454,801 offenbart.
Eine federnde Zentrierkupplung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 ist durch das Zusammenwirken einer Torsionsstange 90 und dem elektromagnetischen Mechanismus oder der Steuereinrichtung dieser Erfindung vorgesehen, die allgemein mit der Bezugsziffer 92 versehen ist. Zusammen gestatten es die Torsionsstange 90 und der elektromagnetische Mechanismus 92, daß die Ventilspule 54 relativ zu dem Ventilkörper 64 im Verhältnis zu dem Lenkdrehmoment, das von der Bedienperson ausgeübt wird, zu drehen, so daß die Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16 dem Servozylinder (nicht gezeigt) Flüssigkeit zuzuführt, um eine wunschgemäß große Lenkungsunterstützungskraft zu erzeugen. Bei Beendigung des von der Bedienperson ausgeübten Lenkdrehmoments zentrieren die Torsionsstange 90 und der elektromagnetische Mechanismus 92 den Ventilkörper 64 und die Ventilspule 54, um die Lenkungsunterstützungskraft zu beenden.
Die Torsionsstange 90 erstreckt sich konzentrisch durch eine axiale Öffnung 69 in der Spulenwelle 18. Ein Querzapfen 70 verbindet das Eingangsende der Torsionsstange 90 mit der Spulenwelle 18. Das Ausgangsende der Torsionsstange 90 ist keilwellenförmig ausgebildet und bei 72 in das Ritzelrad 28 eingesteckt. Ein Gleitlager 74 trägt das innere Ende der Spulenwelle 18 an einem zylindrischen Abschnitt der Torsionsstange 90.
Zu dem elektromagnetischen Mechanismus 92 gehören ein drehbarer Magnetkreis und ein stationärer Magnetkreis, die allgemein mit den Bezugsziffern 100 bzw. 102 bezeichnet sind.
Der stationäre elektromagnetische Kreis 102 weist eine ringförmige Erregerspule 130 (aufladbare Spule), welche um den drehbaren magnetischen Kreis 100 auf einer Haspel 132 gewickelt ist, und ein Polelement 134 auf. Die Polflächen 136 bis 139 des Polelements 134 sind in enger Nähe des drehbaren magnetischen Kreises 100 positioniert, um sowohl eine radiale als auch eine axiale Übertragung eines magnetischen Flusses zwischen dem stationären und dem drehbaren magnetischen Kreis 102, 100 zu erleichtern. Die vergossenen Enden 170, 172 der ringförmigen Erregerspule 130 ragen durch eine geeignete Öffnung 174 in dem Gehäuse 12 und sind mit einer (computergesteuerten) Steuereinheit 178 (Steuereinrichtung) verbunden, die nachfolgend beschrieben werden wird.
Der drehbare magnetische Kreis 100 weist ein (permanentmagnetisches) Scheibenelement 104 (erstes magnetisches Element) und ein Paar von (drehbaren ferromagnetischen) Polstücken (zweites magnetisches Element) auf. Das Scheibenelement 104 ist an einer Rotornabe 110 befestigt, die mit dem außenseitigen Ende der Spulenwelle 18 drehfest verbunden ist. Das Polstück 106 ist mit dem innenseitigen Ende des Ritzelrades 28 über einen nichtmagnetischen Abstandhalter 107 drehfest verbunden. Eine Mehrzahl von Zapfen 112, die in Öffnungen in den Polstücken 106, 108 befestigt sind, dienen dazu, das Polstück 108 fest an dem Polstück 106 zu befestigen und eine bestimmte Winkelanordnung zwischen diesen wie nachfolgend beschrieben zu etablieren.
Ein Paar von Flanschen 114 an jedem Zapfen 112 sitzen an den Polstücken 106, 108, um einen bestimmten Zwischenraum, der etwas größer als die axiale Abmessung des Scheibenelements 104 ist, vorzusehen. Das Scheibenelement 104 ist etwa in der Mitte zwischen den Polstücken 106, 108 beim Zusammenbau positioniert.
Wie besser aus der abgewickelten Darstellung der Figuren 2a bis 2c ersichtlich ist, ist das (permanentmagnetische) Scheibenelement 104 in Axialrichtung magnetisiert, um eine geradzahlige Anzahl N von sich in Radialrichtung erstreckenden, in der magnetischen Polarität wechselnden Bereiche zu definieren, und die Polstücke 106, 108 haben jeweils N/2 homopolare Zähne 120, 122, die sich in Richtung der axialen Stirnflächen des Scheibenelements 104 erstrecken. Die Zähne 120, 122 sind um etwa 1/4 Polteilung winkelversetzt und das Scheibenelement 104 ist so orientiert, daß seine magnetischen Sektoren und die Zähne der drehbaren Polstücke 106, 108 gleicher Polarität um 1/8 Polteilung versetzt sind, wenn die Ventilspule 54 und der Ventilkörper 64 zentriert sind.
Wie in den Figuren 2a bis 2c gezeigt ist, definieren die oberen Elemente zwei magnetische Flußpfade: einen Permanentmagnetflußpfad, der nur die drehbaren Magnetkreiselemente 104, 106, 108 einschließt, und einen elektromagnetischen Flußpfad, zu dem sowohl die stationären, als auch die drehbaren Magnetkreiselemente 104, 106, 108 und 134 und die Polflächen 136 bis 139 gehören.
Wie die Figuren 2a und 2c zeigen, wird ein magnetischer Fluß, welcher in dem Permanentmagnetflußpfad fließt, allein durch die Permanentmagneten des Scheibenelements 104 erzeugt. Ein solcher magnetischer Fluß existiert unabhängig von dem (stationären) Polelement 134. Wenn die Ventilspule 54 und der Ventilkörper 64 wie in Fig. 2a zentriert sind, wird keine magnetische Zentrierkraft (Drehmoment) erzeugt. Wenn eine relative Verschiebung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 vorliegt, wie dies in Fig. 2c gezeigt ist, geraten die Magnetkräfte, die durch den Magnet in dem Permanentmagnetflußpfad erzeugt werden, ins Ungleichgewicht und entwickeln eine resultierende Rückstell- (Zentrier-)Kraft in Richtung des Pfeils 140, mit oder ohne Erregung der ringförmigen Erregerspule 130. Eine solche Kraft variiert als Funktion der relativen Verschiebung, wie graphisch durch die idealisierte Kurve 144 in Fig. 3 dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2b und 2c und unter Vernachlässigung des Effekts der Permanentmagneten, wird der magnetische Fluß, welcher in dem elektromagnetischen Flußpfad fließt, in erster Linie durch Erregung der (stationärer magnetischer Kreis) ringförmigen Erregerspule 130 erzeugt. Wie durch die durchbrochenen Linien angedeutet ist, tritt ein solcher magnetischer Fluß in das (drehbare) Polstück 108 (Norden) über die (stationären) Polflächen 138 und 139 ein, und tritt aus dem (drehbaren) Polstück 106 über die (stationären) Polflächen 136 und 137 aus. Wenn die Ventilspule 54 und der Ventilkörper 64 wie in Fig. 2b zentriert sind, wird keine magnetische Zentrierkraft entwickelt. Wenn eine relative Verschiebung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 wie in Fig. 2c vorliegt, kommen die Magnetkräfte, die durch den Fluß in dem elektromagnetischen Flußpfad erzeugt werden, außer Gleichgewicht und entwickeln eine resultierende Rückstell- (Zentrier) Kraft in Richtung des Pfeils 140. Eine solche Kraft variiert als Funktion der Spulenerregung und der relativen Verschiebung, wobei die Kraft für eine gegebene Spulenstromstärke als Funktion der relativen Verschiebung durch die idealisierten Kurven 142 und 142' in Fig. 3 dargestellt sind.
Die elektromagnetische Zentrierkraft, die durch die idealisierte Kurve 142 in Fig. 3 dargestellt ist, wird erzeugt, indem die ringförmige Erregerspule 130 mit einem gegebenen Strom einer ersten Polarität erregt wird. Eine solche Kraft addiert sich zu der Permanentmagnetzentrierkraft (idealisierte Kurve 144), zumindest für relative Verschiebungen von ± N/4 elektrische Grad (4,5 mechanische Grad in der dargestellten Ausführungsform) oder weniger, wobei N die Anzahl der magnetischen Sektoren in dem (drehbaren) Scheibenelement 104 ist. Die durch die idealisierte Kurve 142' in Fig. 3 dargestellte elektromagnetische Zentrierkraft wird erzeugt, indem die ringförmige Erregerspule 130 mit Strom derselben Höhe, aber von entgegengesetzter Polarität erregt wird. Eine solche Kraft substrahiert sich von der Permanentmagnetzentrierkraft, zumindest für relative Verschiebungen von ± N/4 elektrischen Grad oder weniger.
Die effektive Federsteifigkeit der Kupplung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 wird durch die Summe der Zentrierkräfte der Torsionsstange 90, des Permanentmagnetflußpfades und des elektromagnetischen Flußpfades bestimmt. Die kombinierte Zentrierkraft ist als Funktion der relativen Verschiebung in Fig. 4 gezeigt. Die Kräfte der Torsionsstange 90 und der Permanentmagnetflußpfade sind für eine gegebene Anordnung fest, aber die Kraft des elektromagnetischen Flußpfades ist mit der Erregungsstromstärke und -richtung für die Erregerspule änderbar und führt zu der in Fig. 4 gezeigten und nachfolgend beschriebenen Kurvenschar.
Die (computerunterstützte) Steuereinheit 178 der Fig. 1 wird mit Arbeitsenergie von der Kraftfahrzeugspeicherbatterie (nicht gezeigt) versorgt und umfaßt einen Microcomputer (uC) 180, eine Eingabe/Ausgabe-(E/A)Einrichtung 182, einen Eingangszahler (INP CTR) 184 und einen Pulsweitenmodulationstreiber (PWM) 186, die alle herkömmliche Einrichtungen sein können. Der Mikrocomputer 180 kommuniziert mit dem Rest des Systems über die E/A- Einrichtung 182; als Antwort auf verschiedene Eingangsinformationen führt der Mikrocomputer 180 eine Reihe von vorbestimmten Programminstruktionen zur Bildung eines Ausgangsbefehls aus, der die erforderliche Erregung der ringförmigen Erregerspule 130 betrifft. Die Programminstruktionen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 5 erläutert.
Der primäre Steuereinheitseingang ist ein oszillierendes Fahrzeugschwindigkeitssignal auf Leitung 188, welches von einem herkömmlichen Geschwindigkeitsaufnehmer, der nicht gezeigt ist, erhalten werden kann. Das Geschwindigkeitssignal wird an der E/A-Einrichtung 182 durch den Eingangszähler 184 angelegt, der die Frequenz des Geschwindigkeitssignals durch einen vorbestimmten Wert teilt. Der PWM-Befehl für die Erregerspule 130 wird dem (bidirektionalen) PWM-Treiber 186 zugeführt (der die Form eines herkömmlichen H- Schalter-Treibers haben kann), um entsprechend die ringförmige Erregerspule 130 mit Strom von der nicht gezeigten Fahrzeugspeicherbatterie zu modulieren. Ein Signal, das den Spulenstrom anzeigt, wird von dem PWM-Treiber 186 auf Leitung 176 mit einem geeigneten Stromnebenschluß entwickelt, wobei ein solches Signal als Eingang an einen analogen Eingang der E/A-Einrichtung 182 zur Verwendung in einer Closed-Loop-Regelung des Spulenstroms angelegt ist. Eine Open-Loop-Regelung für die Spannung kann auch vorgesehen werden, wenn dies gewünscht wird.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform erzeugt der kombinierte Effekt der Zentrierkräfte der Torsionsstange 90 und des Permanentmagnetflußpfades ein zwischen diesen liegendes Maß an Lenkungsunterstützung, das durch die Kurve 146 in Fig. 4 dargestellt ist. Dieses Maß an Unterstützung ist für eine mittlere Kraftfahrzeuggeschwindigkeit wie 48 km/h (30 Meilen pro Stunde) sehr geeignet. Mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit beginnt die Steuereinheit 178 die Erregung der ringförmigen Ringspule 130 mit einer progressiv ansteigenden Stärke eines Stroms erster Polarität um den Lenkaufwand des Fahrers pro Einheit relativer Verschiebung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 zu erhöhen, wie durch die Kurven 148 angedeutet ist. Bei einer Abnahme der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit beginnt die Steuereinheit 178 die ringförmige Erregerspule 130 mit einer progressiv ansteigenden Stärke von Strom entgegengesetzter Polarität zu erregen, um die Lenkkraft des Fahrers pro Einheit relativer Verschiebung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 zu reduzieren, wie durch die Kurven 149 angedeutet ist. Dies erzeugt einen änderbaren Kraftaufwandeffekt, da die Größe der Kraftunterstützung in direktem Bezug zu der relativen Verschiebung zwischen der Ventilspule 54 und dem Ventilkörper 64 steht.
Die maximalen relativen Verschiebungsgrenzen (MAX) sind durch die Keilnutenleerlaufkupplung zwischen der Spulenwelle 18 und dem Ritzelrad 28 festgelegt. Wenn einmal die maximale Verschiebung aufgetreten ist, wird eine weitere Drehung des Lenkrad mechanisch an das Ritzelrad 28 über die Kupplung übertragen. In der dargestellten Ausführungsform erlaubt die Kupplung relative Verschiebungen in einem Bereich von etwa ± 4,5 mechanischen Grad (N/4 elektrische Grad), über den die Kombination der permanentmagnet- und elektromagnetischen Zentrierkräfte linear oder fast linear ist.
Es sollte natürlich erkannt werden, daß alternative Steuerverfahren vorgesehen sein können. Beispielsweise könnte die Torsionsstange 90 so gebaut sein, daß die Kombination ihrer Zentrierkraft und der Permanentmagnetflußzentrierkraft ein extremes Maß an Lenkunterstützung bereitstellt. In diesem Fall könnte die Steuereinheit 178 eine unidirektionale Stromsteuerung der ringförmigen Erregerspule 130 bewirken, um die Federsteifigkeit der Ventilkörper/Spule-Kupplung einzustellen. In einem solchen Fall könnte der (bidirektionale) PWM-Treiber 136 durch einen unidirektionalen Treiber ersetzt werden.
Als weitere Steuerungsalternative könnte die Torsionsstange 90 ganz weggelassen werden. Bei einer solchen Anordnung würde das Grundmaß an Lenkungsunterstützung (d.h. kein Spulenstrom) allein durch die Zentrierkraft, die durch den Fluß des Permanentmagnetenflußpfades erzeugt wird, bestimmt. Wie bei den anderen Ausführungsformen könnte diese Zentrierkraft durch Erregung der ringförmigen Erregerspule 130 mit entweder unidirektionalem oder bidirektionalen Strom verändert werden.
Unabhängig von dem verwendeten Steuerungsverfahren stellt Fig. 5 ein vereinfachtes Flußdiagramm dar, welches repräsentativ für Computerprogrammbefehle ist, wie sie durch die (computerunterstützte) Steuereinheit 178 der Fig. 1 ausgeführt werden würden, wenn diese die Steuerung durchführte. Der Block 150 bezeichnet eine Reihe von Programmbefehlen, die beim Beginn einer jeden Fahrzeugbetätigungsperiode ausgeführt werden, um die verschiedenen Register und Programmvariablen auf vorbestimmte Werte zu initialisieren. Anschließend werden die Blöcke 152 bis 162 wie nachfolgend erläutert ausgeführt.
Die Entscheidungsblöcke 152 und 162 ermitteln einen Übergang von einem niedrigen zu einem hohen Fahrzeuggeschwindigkeitsausgangssignal des Eingangszählers 184. Wenn der Übergang festgestellt wird, werden die Befehlsblöcke 154, 156, 158 und 160 sequentiell ausgeführt, um die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit Nv zu berechnen, den Spulenstromwert Ic einzulesen und eine PWM-Pulsweite zu berechnen und an den PWM-Treiber 186 auszugeben. Die Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Block 154 erfolgt auf der Basis der abgelaufenen Zeit zwischen Low-nach-High-Übergängen des Eingangszähler-Carry Bits, wobei die Zeit umgekehrt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit Nv ist. Die Berechnung des PWM-Pulsbreitenbefehls erfolgt aufgrund der Abweichung der Soll-Spulenstromstärke von der gemessenen Spulenstromstärke Ic, wobei die Soll-Stromstärke gemäß der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, wie in Fig. 4 angedeutet ist.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die dargestellte Ausführungsform beschrieben worden ist, ergeben sich für Fachleute verschiedene Modifikationen. Im wesentlichen gehören zu dem Steuergerät dieser Erfindung ein stationärer magnetischer Kreis und ein drehbarer magnetischer Kreis, die mindestens zwei relativ zueinander drehbare Elemente aufweisen. Die Funktion dieser magnetischen Kreise können mit wechselnden Konfigurationen (wie einer zylindrischen) erreicht werden, und selbstverständlich ist der Schutzumfang dieser Erfindung allein durch die beiliegenden Ansprüche definiert. Weiterhin können verschiedene Steuerparameter, wie eine Fahrervorgabe (leichter, mittlerer oder schwerer Aufwand) oder eine Druck-Rückkopplung verwendet werden, und zwar entweder allein oder in Kombination mit den zuvor beschriebenen Fahrzeuggeschwindigkeitsparametern.

Claims

1. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Paar von hydraulischen Elementen (54, 64), die relativ zueinander drehbar und zwischen einer von einem Fahrer betätigbaren Lenkwelle (18) und einem Lenkritzel (28) vorgesehen sind, wobei die hydraulischen Elemente einen hydraulischen Fluß zur Erzeugung einer Servolenkungskraft im Verhältnis zu ihrer relativen Drehung erzeugen können, so daß die vom Fahrer auf die Lenkwelle ausgeübte Lenkkraft ein entsprechendes Maß an Servolenkungskraft erzeugt; und einer elektromagnetischen Steuereinrichtung (92) zur Bildung einer federnden Drehkupplung zwischen den hydraulischen Elementen; wobei zu der elektromagnetischen Steuereinrichtung ein drehbarer magnetischer Kreis (100) mit einem ersten magnetischen Element (104), das mit einem Element (54) des Paares hydraulischer Elemente (54, 64) drehfest verbunden ist, und einem zweiten magnetischen Element (106, 108), das drehfest mit dem anderen Element (64) des Paares hydraulischer Elemente verbunden ist, gehört, wobei das erste und das zweite magnetische Element mechanisch miteinander gekuppelt sind, um eine magnetische Drehkupplung zwischen den hydraulischen Elementen zu bilden, die einer relativen Drehung der hydraulischen Elemente aus einer zentrierten relativen Stellung von minimaler Servolenkungskraft widersteht; dadurch gekennzeichnet daß

die elektromagnetische Steuereinrichtung weiterhin einen stationären magnetischen Kreis aufweist, zu dem eine stationäre erregbare Spule (130) gehört, die magnetisch mit einem (106, 108) der ersten und zweiten magnetischen Elemente zur Steuerung der Stärke der magnetischen Drehkupplung gekuppelt ist.

2. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 1 mit einer ein federndes Element (90) aufweisenden drehbaren mechanischen Einrichtung, die die hydraulischen Elemente (54, 64) zur Bildung einer mechanischen Drehkupplung zwischen den hydraulischen Elementen miteinander kuppelt und einer relativen Drehung zwischen den hydraulischen Elementen aus einer zentrierten relativen Stellung von minimaler Lenkungsunterstützungskraft entgegenwirkt; und die zusammen mit der magnetischen Drehkupplung die Stärke der gesamten Drehkupplung zwischen den hydraulischen Elementen bestimmt.

3. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 2, bei der das federnde Element eine Torsionsstange (90) ist.

4. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Erregerspule (130) ringförmig ausgebildet, um das eine (106, 108) der ersten und zweiten magnetischen Elemente herum angeordnet und ein Teil des stationären magnetischen Kreises (102) ist, zu dem auch ein stationäres flußleitendes Element (134) zur Vervollständigung eines elektromagnetischen Flußpfades zwischen dem drehbren und dem stationären magnetischen Kreis gehören, so daß der in dem elektromagnetischen Flußpfad während der Erregung der Erregerspule (130) entwickelte magnetische Fluß eine elektromagnetische Zentrierkraft erzeugt, die mit der magnetischen Drehkupplung zusammenwirkt, um eine Gesamtzentrierkraft zu erzeugen, die mit der Spulenerregung veränderbar ist, wodurch die Lenkkraft, die von einem Fahrer aufzubringen ist, um eine gegebene relative Drehung der hydraulischen Elemente (54, 64) und damit ein gegebenes Maß an Lenkungsunterstützungskraft zu erzeugen, mit der Spulenerregung änderbar ist.

5. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 4, bei der das stationäre flußleitende Element (134) des stationären magnetischen Kreises (102) Polflächen (136-139) aufweist, die in enger Nähe zu dem einen (106, 108) der ersten und zweiten magnetischen Elemente angeordnet sind.

6. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das erste magnetische Element des drehbaren magnetischen Kreises (100) durch eine in Axialrichtung magnetisierte Permanentmagnetscheibe (104) gebildet ist, und das zweite magnetische Element des drehbaren magnetischen Kreises von einem Paar drehbarer flußleitender Elemente (106, 108) gebildet ist, die einander gegenüberliegend um die Permanentmagnetscheibe (104) herum angeordnet sind.

7. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 6, bei der die in Axialrichtung magnetisierte Permanentmagnetscheibe (104) N Sektoren wechselnder magnetischer Polarität aufweist und mindestens eines der drehbaren flußleitenden Elemente (106, 108) N/2 sich in Axialrichtung erstreckende Zähne (120, 122) hat, die in enger Nähe zu der axialen Stirnfläche der Permanentmagnetscheibe angeordnet sind.

8. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 7, bei der jedes der drehbaren flußleitenden Elemente (106, 108) N/2 homopolare Zähne (120, 122) aufweist, die sich in Richtung der gegenüberliegenden axialen Stirnflächen der Permanentmagnetscheibe (104) erstrecken.

9. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 8, bei der die Zähne (120, 122) der drehbaren flußleitenden Elemente (106, 108) um etwa 1/4 einer Permanentmagnetpolteilung voneinander winkelversetzt sind; und daß die Permanentmagnetscheibe (104) relativ zu den drehbaren flußleitenden Elementen so angeordnet ist, daß die axialen Stirnflächen ihrer Permanentmagnetsektoren und die Zähne der drehbaren flußleitenden Elemente gleicher Polarität um etwa 1/8 einer Permanentmagnetpolteilung winkelversetzt sind, wenn die hydraulischen Elemente (54, 64) sich in der zentrierten relativen Stellung befinden.

10. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die weiterhin eine Steuereinrichtung (178) zur Erregung der erregbaren Spule im Verhältnis zu der Fahrzeuggeschwindigkeit aufweist, um dadurch die Stärke der magnetischen Drehkupplung mit der Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern.

11. Eine hydraulische Servolenklingseinrichtung nach Anspruch 10, beidie zentrierte relative Stellung der hydraulischen Elemente (54, 64) ein mittleres Maß an Lenkungsunterstützungskraft bereitstellt, die für eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit geeignet ist; und daß die Steuereinrichtung (178) die Erregerspule (130) mit Strom (1) einer ersten Polarität für Fahrzeuggeschwindigkeiten oberhalb der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit, um die magnetische Drehkupplung zu verstärken, und somit die Lenkungsunterstützungskraft zu verringern, und (2) mit einer zweiten Polarität für Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit zur Schwächung der magnetischen Drehkupplung, um die Lenkungsunterstützungskraft zu vergrößern, erregt.

12. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 10, bei der die zentrierte relative Stellung der hydraulischen Elemente (54, 64) einen relativ hohes Maß an Lenkungsunterstützungskraft bereitstellt, die für relativ niedrige Fahrzeuggeschwindigkeiten geeignet ist; und die Steuereinrichtung (178) die erregbare Spule (130) mit Strom einer einzigen Polarität für Fahrzeuggeschwindigkeiten oberhalb der relativ niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten erregt, um die magnetische Drehkupplung zur Verringerung der Lenkungsunterstützungskraft zu stärken.

13. Eine hydraulische Servolenkungseinrichtung nach Anspruch 10, bei der die zentrierte relative Stellung der hydraulischen Elemente (54, 64) ein relativ niedriges Maß an Lenkungsunterstützungskraft bereitstellt, die für relativ hohe Fahrzeuggeschwindigkeiten geeignet ist; und daß die Steuereinrichtung (178) die erregbare Spule (130) mit Strom einer einzigen Polarität für Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb der relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten erregt, um die magnetische Drehkupplung zur Erhöhung der Lerkungsunterstützungskraft zu schwächen.

14. Elektromagnetisches Steuergerät zur Verwendung in einer hydraulischen Servolenkungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche.