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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.
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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
Fährer 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, zugetührt 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.
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Die Ventilspule wird manuell durch den Fahrer des Fahrzeugs gedreht und ist über eine
Leerlautkupplung 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 Leerlautkupplung
zu gestatten.
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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.
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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 zuruckgefiihrt,
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.
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Zu einer hydraulischen Servolenkungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
gehören ein Paar hydraulischer Elemente, die relativ zueinander drehbar und zwischen einer
Lenkwelle und einem Lenkritzel befestigt sind, so daß eine vom Fahrer auf die Lenkwelle
ausgeübte Lenkkraft eine relative Drehung der hydraulischen Elemente zur Erzeugung eines
hydraulischen Flusses im Verhältnis zu dem gewünschten Maß an Servolenkungskraft
erzeugt eine Einrichtung zum Drehkuppeln der hydraulischen Elemente mit einem
mechanisch federnden Mittel, das die hydraulischen Elemente kuppelt, um eine mechanische
Zentrierkraft zu erzeugen, die in der zentrierten relativen Stellung der hydraulischen
Elemente im Drehgleichgewicht steht, aber die einer relativen Drehung aus dieser heraus
widersteht; eine Permanentmagneteinrichtung, die drehfest mit einem Element des Paares
hydraulischer Elemente verbunden ist, um einen drehbaren Satz permanentmagnetischer Pole
wechselnder Polarität zu bilden; und elektromagnetische Einrichtungen mit einer
Erregerspule, einem Kern und einem Satz elektromagnetischer Polelemente, die in enger
Nähe zu den permanentmagnetischen Polen angeordnet sind, wobei die elektromagnetischen
Polelemente drehfest mit dem anderen Element des Paars hydraulischer Elemente zur
Drehung relativ zu den permanentmagnetischen Polen getragen ist, wobei die hydraulische
Servolenkungseinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kern die Erregerspule
kreisförmig umgibt und die elektromagnetischen Polelemente von wechselnder Polarität
sind, so daß der minimale Reluktanzflußpfad zwischen den elektromagnetischen
Polelementen und den permanentmagnetischen Polen auftritt, wenn sich die hydraulischen
Elemente in einer zentrierten Beziehung für einen minimalen hydraulischen Fluß befinden;
und daß sie weiterhin eine Steuereinrichtung zur Erregung der Erregerspule mit Gleichstrom
aufweist, um die magnetische Polarität und Stärke der elektromagnetischen Pole zu steuern,
wodurch die elektromagnetischen und die permanentmagnetischen Pole zusammenarbeiten,
um ein änderbares magnetisches Zentrierdrehmoment im Verhältnis zu der Verschiebung der
hydraulischen Elemente und der Erregung der Erregerspule zu erzeugen, und die ganze
Kupplung zwischen den hydraulischen Elementen durch die Kombination der magnetischen
und mechanischen Zentrierdrehmomente definiert ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Servolenkungseinrichtung mit einem
herkömmlichen drehbaren Spulen- und einem Ventilkörperelement zur Flußregulierung und
einem integralen elektromagnetischen Mechanismus, der eine Kupplung von veränderbarer
Federsteifigkeit zwischen der Spule und dem Ventilkörper bildet, um eine Lenkkraft, die von
einem Fahrer aufzubringen ist, um ein bestimmtes Maß an Kraftunterstützung zu erzeugen,
einzustellen.
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Zu dem integralen Mechanismus dieser Erfindung gehören erste und zweite magnetische
Einrichtungen. Die erste magnetische Einrichtung weist einen drehbaren vielpoligen
Permanentmagnet auf, der drehfest mit dem Spulen- oder dem Ventilkörper gehalten ist. Zu
der zweiten magnetischen Einrichtung gehören ein drehbares flußleitendes Element, das
drehfest mit dem anderen der Spulen- und Ventilkörperelemente gehalten ist, und eine
stationäre Erregerspule, die magnetisch mit diesem gekuppelt ist.
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Bei einer der dargestellten Ausführungsformen hat der drehbare Permanentmagnet der ersten
magnetischen Einrichtung die Form eines Ringmagneten mit N Bereichen wechselnder
Polarität (Pole) an ihren Umfang, und das drehbare flußleitende Element der zweiten
magnetischen Einrichtung ist durch ein Kernteil gebildet, das magnetisch mit der
Erregerspule gekuppelt ist und N sich überlappende Zähne oder elektromagnetische Pole
aufweist.
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Wenn die Erregerspule mit Gleichstrom erregt wird, definieren die beabstandeten Zähne N
elektromagnetische Pole wechselnder Polarität, die mit den Polen des Permanentmagneten
zusammenwirken. Der Flußpfad umgibt die Spule, tritt durch die elektromagnetischen und
permanentmagnetischen Pole und das Kernstück des drehbaren flußleitenden Elements.
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Die elektromagnetischen und permanentmagnetischen Pole sind so orientiert, daß, wenn das
Spulen- und das Ventilkörperelement zentriert sind und die Erregerspule mit einem Strom
einer ersten Polarität erregt wird, elektromagnetische und permanentmagnetische Pole
unterschiedlicher Polarität in Radialrichtung in einer Linie liegen. Dies erzeugt eine
Anziehungskraft zwischen den elektromagnetischen und den permanentmagnetischen Polen
und ein positives magnetisches Zentrierdrehmoment, wenn das Spulenelement und das
Ventilkörperelement relativ zueinander verschoben sind, welches Drehmoment dazu
tendiert, die Anordnung in die zentrierte Position zuruckzubringen. Wenn die Spule mit
Strom der entgegengesetzten Polarität erregt wird, sind die in Radialrichtung in einer Linie
liegenden elektromagnetischen und permanentmagnetischen Pole von derselben Polarität.
Dies erzeugt eine abstoßende Kraft zwischen den elektromagnetischen und den
permanentmagnetischen Polen und ein negatives magnetisches Zentrierdrehmoment, wenn
das Spulenelement und das Ventilkörperelement relativ zueinander verschoben sind, welches
Drehmoment dazu tendiert, die Anordnung weiter zu verschieben. In jedem Fall ist die
Größe des magnetischen Zentrierdrehmoments über einen weiten Bereich in Abhängigkeit
von der Stromstärke, die der Spule zugeführt wird, änderbar.
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Alternativ gehören zu dem integralen elektromagnetischen Mechanismus dieser Erfindung
erste und zweite magnetische Anordnungen. Die erste magnetische Anordnung weist einen
drehbaren vielpoligen Permanentmagnet auf, der drehbar an dem Spulenelement getragen ist.
Die zweite magnetische Anordnung weist eine magnetisch gekuppelte Erregerspule und ein
flußleitendes Element auf Das flußleitende Element ist drehbar an dem Ventilkörperelement
gehalten, und die Erregerspule ist in einem flußleitenden Kern angeordnet, welcher in dem
Lenkgetriebegehäuse gehalten ist.
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In den dargestellten Ausführungsformen dieser Alternative hat der drehbare
Permanentmagnet der ersten magnetischen Anordnung die Form eines Ringmagnets, der
über einen nichtmagnetischen Abstandhalter an der Spule befestigt ist. Der Ringmagnet hat
N permanentmagnetische Pole wechselnder Polarität um ihren äußeren Durchmesser, wobei
in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Pole entweder intern oder über einen
flußleitenden Ring, der zwischen dem Abstandhalter und dem inneren Durchmesser des
Magneten angeordnet ist, magnetisch gekuppelt sind. Das drehbare flußleitende Element der
zweiten magnetischen Anordnung wird durch N beabstandeter Zähne (elektromagnetische
Pole) gebildet, die zwischen dem äußeren Durchmesser des Ringmagneten und dem inneren
Durchmesser der Erregerspule angeordnet sind, und ein Paar von flußsammelnden
Polflächen, die an einem axialen Ende der beastandeten Zähne angeordnet sind, definiert. Die
drehbaren beabstandeten Zähne und flußsammelnden Polflächen sind mit den drehbaren
permanentmagnetischen Polen und dem stationären flußleitenden Kern jeweils gekuppelt.
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Die Orientierung der permanentmagnetischen Pole und der beabstandeten Zähne ist derart,
daß der minimale Reluktanzflußpfad zwischen ihnen auftritt, wenn die Spule und das Ventil
sich in einer zentrierten Beziehung für einen minimalen hydraulischen Fluß befinden. Die
Reluktanz steigt an, wenn die Spule und das Ventil relativ zueinander aus der zentrierten
Lage verschoben werden, wodurch ein magnetisches Zentrierdrehmoment erzeugt wird,
welches dazu tendiert, die Spule und das Ventil in die zentrierte Lage zurückzubringen.
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Wenn die Erregerspule mit Gleichstrom erregt wird, definieren die beabstandeten Zähne N
elektromagnetische Pole wechselnder Polarität, die mit den permanentmagnetischen Polen in
Wechselwirkung stehen. Der Flußpfad umgibt die Spule kreisförmig, tritt durch die
elektromagnetischen und die permanentmagnetischen Pole und die flußsammelnden
Polflächen des drehbaren flußleitenden Elements.
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Wenn die Spule und das Ventil zentriert sind und die Erregerspule mit einem Strom erster
Polarität erregt wird, stehen elektromagnetische und permanentmagnetische Pole
entgegengesetzter Polarität in Radialrichtung in einer Linie. Dies erzeugt eine
Anziehungskraft zwischen den elektromagnetischen und den permanentmagnetischen Polen,
und ein positives magnetisches Zentrierdrehmoment, wenn eine relative Verschiebung
zwischen der Spule und dem Ventil vorliegt welches Drehmoment dazu tendiert, die
Anordnung in die zentrierte Stellung zurückzubringen. Wenn die Spule mit Strom der
entgegengesetzten Polarität erregt wird, sind die in Radialrichtung in einer Linie liegenden
elektromagnetischen und permanentmagnetischen Pole von derselben Polarität. Dies erzeugt
eine abstoßende Kraft zwischen den elektromagnetischen und den permanentmagnetischen
Polen und ein negatives magnetisches Zentrierdrehmoment, wenn die Spule und das Ventil
relativ zueinander verschoben sind, welches Drehmoment dazu tendiert, die Anordnung
weiter zu verschieben. In jedem Fall ist die Größe des magnetischen Zentrierdrehmoments
über einen weiten Bereich in Abhängigkeit von der Stärke des der Spule zugeführten Stroms
veränderbar.
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Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Mechanismus dieser Erfindung in
Kombination mit einer herkömmlichen Torsionsstange verwendet, um eine veranderbare
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.
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Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht einer Servolenkungsventilanordnung, die den integralen
elektromagnetischen Mechanismus dieser Erfindung beinhaltet, und ein
Blockdiagramm einer (computerunterstützten) Steuereinheit hierfür darstellt;
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Fig. 1b eine Schnittansicht der Ventilanordnung der Fig. 1a entlang der Linie 1b-1b ist;
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Fig. 1c und 1d unterschiedliche Permanentmagnetanordnungen zeigen;
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Fig. 2a bis 2d schematisch abgewickelte Ansichten der elektromagnetischen und
permanentmagnetischen Pole des in den Figuren 1a bis 1c dargestellten
elektromagnetischen Mechanismus zeigen;
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Fig. 3 die durch den elektromagnetischen Mechanismus der Fig. 1 erzeugte Zentrierkraft als
Funktion der Lenkwellendrehung für einen vorgegebenen Spulenstrom zeigt;
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Fig. 4 die Änderung der von einem Fahrer aufzubringenden Kraft, die durch das Steuerventil
und die computergestützte Steuereinheit der Fig. 1 für verschiedene
Fahrzeuggeschwindigkeiten erhalten wurde, zeigt;
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Mechanismus der Figuren Ia bis
1c zeigt;
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Fig. 6 ein Flußdiagramm zeigt das repräsentativ für Computerprogrammbefehle ist, die
durch die computergestützte Steuereinheit der Fig. 1a bei der Steuerung der Erregung
des elektromagnetischen Mechanismus dieser Erfindung ausgeführt werden;
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Fig. 7a eine Schnittansicht einer hydraulischen Steuerventilanordnung, die einen integralen
elektromagnetischen Mechanismus gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser
Erfindung enthält, und ein Blockdiagramm einer computergestützten Steuereinheit
hierfür zeigt;
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Fig. 7b eine geschnittene perspektivische Ansicht des in Fig. 7a gezeigten
elektromagnetischen Mechanismus zeigt;
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Fig. 8a eine Schnittansicht einer hydraulischen Steuerventilanordnung, die einen
elektromagnetischen Mechanismus gemäß einer dritten Ausführungsform dieser
Erfindung enthält, und ein Blockdiagramm für eine computergestützte Steuereinheit
hierfür zeigt; und
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Fig. 8b eine geschnittene perspektivische Ansicht des in Fig. 8a gezeigten
elektromagnetischen Mechanismus ist.
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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 Randrad, welche nicht gezeigt sind, durch eine ringförmige
Flüssigkeitsdichtung 22.
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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 tassentörmige Abdeckung 38 ist durch Reibschluß in das Ende des
Gehäuses 12 eingepaßt, um einen Wartungszugriff bereitzustellen.
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Die Zähne des Ritzelrades 28 kämmen mit dem verzahnten Abschniff 40 einer (langlichen)
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.
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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.
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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.
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An der Spulenwelle 18 der Servolenkungsantriebsventileinrichtung 16 ist eine (zylindrische)
Ventilspule 54 ausgebildet. Die Ventilspule 54 hat eine Mehrzalll von (kreisringförmigen,
sich in Axialrichtung erstreckenden) Öldurchgangsschlitzen 56, die an ihrem Urnfang
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.
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Die Ventilspule 54 und der Ventilkörper 64 definieren hydraulische Elemente.
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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 Ventilspule 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
Lenkunterstützungskraft 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.
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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 gestaften 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 Lenkunterstützungskraft 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 Lenkunterstützungskraft zu beenden.
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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 Abschniff der Torsionsstange 90.
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Zu dem elektromagnetischen Mechanismus 92 gehören erste und zweite magnetische
Anordnungen, die allgemein mit den Bezugsziffern 100 und 102 bezeichnet sind. Die erste
magnetische Anordnung 100 (Permanentmagneteinrichtung) weist einen (drehbaren
vielpoligen Permanent) Ringmagnet 130 auf, der drehbar von dem Ritzelrad 28 und dem
Ventilkörper 64 getragen ist. Die zweite magnetische Anordnung 102 (elektromagnetische
Einrichtung) weist ein Paar von (drehbaren flußleitenden) Kernelementen 132, 133 auf, die
drehbar an der Ventilspule 54 und einer mit dieser magnetisch gekuppelten (stationären)
Erregerspule 134 gehalten ist.
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Der Ringmagnet 130 ist in Radialrichtung magnetisiert, um N permanentmagnetische Pole
wechselnder Polarität an ihrem äußeren Umfang zu bilden. Dies kann mit einem
radialmagnetisierten Magnet 130 erreicht werden, wie schematisch in Fig. 1c dargestellt ist,
welcher drehbar an einem (flußleitenden) Haltering 136 getragen ist. Der Haltering 136
kuppelt magnetische Pole entgegengesetzter Polarität des radialmagnetisierten Magneten
130. Die Kombination des radialmagnetisierten Rings 130 und des Halterings 136 ist mit
dem Ventilkörper 64 an einer nichtmagnetischen Nabe 136 getragen, welche an dem
innenseitigen Ende des Ritzelrades 28 befestigt ist.
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Alternativ kann der Ringmagnet 130' intern magnetisiert sein, wie schematisch in Fig. 1d in
einer Reihe von U-förmigen Anordnungen dargestellt ist, so daß alle magnetischen Pole am
Außenumfang des Ringmagnet definiert sind. In diesem Fall ist ein flußleitender Haltering,
wie der Haltering 136 der Fig. 1c, nicht erforderlich, und der Ringmagnet 130' kann direkt
an einer nichtmagnetischen Nabe wie der Nabe 138' getragen sein.
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Die (drehbaren flußleitenden) Kernelemente 132, 133 der zweiten magnetischen Anordnung
102 sind mechanisch durch einen nichtmagnetischen Ring 140 gekuppelt. Das Kernelement
133 ist an der Ventilspule 54 befestigt, um die Kernelementanordnung zur Drehung mit ihr
zu tragen. Das Kernelement 132 ist magnetisch mit der Erregerspule 134 über ein
(stationäres) Polstück 142 gekuppelt, und das Kernelement 133 ist magnetisch mit der
Erregerspule 134 über ein (stationäres) Polstück 144 gekuppelt. Die Erregerspule 134 ist in
einer isolierenden Spule 146 gewickelt und hat vergossene Enden 170, 172, die durch eine
geeignete Öffnung 174 in dem zweiteiligen Gehäuse 12 zur Verbindung mit einer
computergestützten Steuereinheit 178 (Steuereinrichtung), welche nachfolgend beschrieben
wird, ragt.
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Wie am besten in der perspektivischen Ansicht der Fig. 5 zu sehen ist, haben die
Kernelemente 132, 133 jeweils (N/2 sich in Axialrichtung erstreckende Klauenpol-) Zähne
152, 154, die sich überlappen, um insgesamt N elektromagnetische Pole zu definieren. Die
Zähne 152, 154 sind in enger Nähe zu dem äußeren radialen Umfang des Ringmagneten 130
angeordnet, wobei sie zwischen sich einen Arbeitsluftspalt definieren. Wenn die Erregerspule
134 mit Gleichstrom einer ersten Polarität erregt wird, nehmen die Zähne 152, 154
wechselnde magnetische Polaritäten an, wie in den abgewickelten Darstelllungen der Figuren
2a bis 2d gezeigt ist, und ein magnetischer Fluß fließt in einem Flußpfad, zu dem der
Ringmagnet 130 und der Haltering 136, das (drehbare) Kernelement 132 (über Zähne 152),
die (stationären) Polstücke 142, 144 und das (drehbare) Kernelement 133 (über Zahn 154)
gehören. Die in Radialrichtung anziehenden Magnetkräfte sind aufgrund der Symmetrie
ausgeglichen. Die Zähne 152, 154 definieren elektromagnetische Polelemente
unterschiedlicher Polarität.
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Wie die Figuren 2a und 2b zeigen, sind die ersten und zweiten magnetischen Anordnungen
100, 102 winkelförmig orientiert, so daß sich die verschiedenen Zähne 152, 154
gegenüberliegen und in Radialrichtung in einer Linie mit permanentmagnetische Polen
entgegengesetzter Polarität liegen, wenn die Ventilspule und der Ventilkörper 54, 64
zentriert sind und die Erregerspule 134 mit Strom der ersten Richtung erregt wird. Wie aus
dem Querschnitt der Fig. 2a ersichtlich ist, umkreist der Fluß die Erregerspule 134, wobei er
den Arbeitsluftspalt zwischen den Zähnen 154 nördlicher Polarität (N) und den
permanentmagnetischen Polen südlicher (S) Polarität kreuzt, fließt durch den Haltering 136
und zurück über den Arbeitsluftspalt zwischen den permanentmagnetischen Polen nördlicher
(N) Polarität und den Zähnen 152 südlicher (S) Polarität. Dieser Zustand ist magnetisch
bevorzugt, da er den geringsten Reluktanzpfad für den magnetischen Fluß bietet.
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Dennoch geraten Zähne 152, 154 und permanentmagnetische Pole unterschiedlicher
Polarität in Radialrichtung außer Linie, wie in Fig. 2c gezeigt ist, wenn eine relative Drehung
zwischen dem Ventilspulen- und dem Ventilkörperelement 54, 64 stattfindet. Dies erhöht die
Reluktanz des Flußpfades, wie durch die Flußlinien in Fig. 2d angedeutet ist, und führt dabei
zu der Erzeugung eines positiven magnetischen Zentrierdrehmoments, welches dazu
tendiert, die Anordnung in die bevorzugte zentrierte Lage zurückzuführen.
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In analoger Weise sind die in Radialrichtung in einer Linie liegenden elektromagnetischen
und permanentmagnetischen Pole von gleicher Polärität, wenn die Erregerspule 134 mit
Strom einer zweiten oder entgegengesetzten Richtung erregt wird. Dies erzeugt eine
abstoßende Kraft zwischen den elektromagnetischen und den permanentmagnetischen Polen,
die ein negatives magnetisches Zentrierdrehmoment erzeugt, wenn zwischen der Ventilspule
und dem Ventilkörper 54, 64 eine relative Verschiebung stattfindet, das dazu tendiert, die
Anordnung weiter zu verschieben.
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Die Größe des magnetischen Zentrierdrehmoments (positiv oder negativ) ändert sich im
wesentlichen sinusförmig im Verhältnis zu dem Maß der Versetzung oder der relativen
Verschiebung zwischen der Ventilspule und dem Ventilkörper 54, 64 und dem Strom, der
der Erregerspule 134 zugeführt wird. In der dargestellten Ausführungsform ist der
Spulenstrom abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, um eine
geschwindigkeitsabhängige Beziehung zwischen dem Fahrereingangsdrehmoment und dem
kraftunterstützenden Drehmoment zu schaffen.
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Fig. 3 zeigt graphisch das magnetische Zentrierdrehmoment für eine vorgegebene
Spulenstromstärke als Funktion der relativen Verschiebung. Die Kurve 122 stellt ein
positives Zentrierdrehmoment dar und entspricht einem Spulenstrom einer ersten Richtung.
Die Kurve 122' zeigt ein negatives Zentrierdrehmoment und entspricht einem Spulenstrom
entgegengesetzter Richtung. Für die dargestellte Ausführungsform, bei der die Anzahl von
Polen N 40 beträgt, liegen die Spitzen der Kraft bei etwa ± 4,5 mechanischen Grad relativer
Drehung. Eine weitere relative Drehung wird durch die Keilwellenleerlaufkupplung zwischen
der Spulenwelle 18 und dem Ritzelrad 28 verhindert.
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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.
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Die (computernnterstützte) 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 Eingangszähler (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.
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Der primäre Steuereinheitseingang ist ein oszillierendes Fahrzeugschwindigkeitssignal auf
Leitung 188, welches von einem herkömmlichen Geschwindigkeitsaufhehmer, 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 ringförinige 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.
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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.
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Die maximalen relativen Verschiebungsgrenzen (MAX) sind durch die
Keilnutenleerlaufkupplung zwischen der Spulenwelle 18 und dem Ritzelrad 28 festgelegt.
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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), in dem die Steigung der magnetischen
Zentrierkraft positiv ist - d.h., der Bereich über den eine erhöhte relative Verschiebung eine
erhöhte magnetische Zentrierkraft erzeugt.
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Es sollte natürlich bemerkt werden, daß alternative Steuerverfahren verwendet werden
können. Beispielsweise könnte auf die Torsionsstange 90 gänzlich verzichtet werden oder
sie könnte so gebaut sein, daß die Kombination ihrer Zentrierkraft und der magnetischen
Zentrierkraft ein extremes Maß an Lenkungsunterstützung vorgibt. Bei jeder solchen
Annäherung würde die computerunterstützte Steuereinheit 178 eine unidirektionale
Stromsteuerung der Erregerspule 134 bewirken, um die ganze Federsteifigkeit der
Ventilkörper/Ventilspulen-Kupplung einzustellen, und der bidirektionale PWM-Treiber 186
könnte durch einen unidirektionalen Treiber ersetzt werden.
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Unabhängig von dem verwendeten Steuerungsverfahren stellt Fig. 6 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 250 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 252 bis 262 wie nachfolgend erläutert
ausgeführt.
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Die Entscheidungsblöcke 252 und 262 ermitteln einen Übergang von einem niedrigen zu
einem hohen Fahrzeuggeschwindigkeitsausgangssignal des Eingangszählers 184. Wenn der
Übergang festgestellt wird, werden die Befehlsblöcke 254, 256, 258 und 260 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 254 erfolgt auf der
Basis der abgelaufenen Zeit zwischen Low-nach-High-Übergängen des Eingangszahler-
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.
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Die Figuren 7a bis 7b zeigen eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung, und gleiche
Teile wurden mit denselben Bezugsziffern versehen. In diesem Fall weist der
elektromagnetische Mechanismus 92' erste und zweite magnetische Anordnungen auf, die
allgemein mit den Bezugsziffern 100' und 102' versehen sind. Die erste magnetische
Anordnung 100' umfaßt einen (drehbaren vielpoligen Permanent-) Ringmagneten 230, der an
einer Ventilspule 54 mit dieser drehbar getragen ist. Der Ringmagnet 230 hat eine
Anordnung, wie sie in Fig. 1c gezeigt ist, bei der der Ringmagnet 230 und der Haltering 236
zur Drehung mit der Ventilspule 54 an einem nichtmagnetischen Abstandhalter 238 befestigt
sind, der an der Ventilspule 54 bei der Herstellung festgeschweißt werden kann.
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Alternativ kann der Ringmagnet 230 intern magnetisiert sein, wie schematisch in Fig. 1d
gezeigt ist. In diesem Fall kann der Ringmagnet 230 direkt an dem nichtmagnetischen
Abstandshalter 238 getragen sein.
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Die zweite magnetische Anordnung 102' umfaßt ein Paar von flußleitenden Elementen 232,
233, die zur Drehung mit dem Ritzelrad 28 und dem Ventilkörper 64 gehalten sind, und die
(stationäre) Erregerspule 134. Die flußleitenden Elemente 232, 233 sind mechanisch durch
den nichtmagnetischen Ring 140 gekuppelt, und das flußleitende Element 133 ist an dem
innenseitigen Ende des Ritzelrades 28 befestigt, so daß die gesamte magnetische Anordnung
102' mit dem Ventilkörper 64 dreht.
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Wie am besten in der perspektivischen Ansicht der Fig. 7b erkennbar ist haben die
flußleitenden Elemente 232, 233 jeweils (N/2) sich in Axialrichtung erstreckende
klauenpolige) Zähne 152, 154, die sich überlappen, um insgesamt N elektromagnetische Pole
zu definieren. Die sich in Axialrichtung und Radialrichtung erstreckenden Enden der
flußleitenden Elemente 232, 233 sind in enger Nähe zu den (stationären) Polstücken 142,
144 angeordnet, die die Erregerspule 134 umgeben. Spezifischerweise ist das (stationäre)
Polstück 142 mit dem drehbaren flußleitenden Element 232 durch einen (sich in
Radialrichtung erstreckenden) Luftspalt 143 gekuppelt, und das (stationäre) Polstück 144 ist
mit dem drehbaren flußleitenden Element 233 sowohl über den sich in Radialrichtung
erstreckenden als auch über den sich in Axialrichtung erstreckenden Luftspalt 145 und 147
gekuppelt.
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Somit sind die überlappenden Zähne 152, 154 der zweiten magnetischen Anordnung 102'
magnetisch mit (1) dem Ringmagnet 230 über ihre große Nähe und (2) der Erregerspule 134
durch die Kupplung zwischen den flußleitenden Elementen 232, 233 und den (stationären)
Polstücken 142 bis 144 gekuppelt.
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Die Figuren 8a bis 8b zeigen eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung (ähnlich der der
Figuren 7a bis 7b), bei der das flußleitende Element 233' in Axialrichtung von der ersten
magnetischen Anordnung 100' versetzt ist, um den Leckagefluß zwischen ihnen zu
minimieren. Wenn das äußere Profil des Lenkgetriebes beibehalten wird, erfordert dies auch
eine Kürzung der (stationären) Polstücke 144', wie angedeutet ist. In diesem Fall ist das
(stationäre) Polstück 144' mit dem drehbaren flußleitenden Element 233' allein durch den
sich in Axialrichtung erstreckenden Luftspalt 147 gekuppelt. Idealerweise besteht das Ziel
darin, den Leckagefluß zwischen dem Ringmagnet 230 und dem flußleitenden Element 233'
zu minimieren, wobei die Kupplung zwischen den drehbaren und den stationären
flußleitenden Elementen 232, 233', 142, 144' der zweiten magnetischen Anordnung 102'
maximiert werden soll. In der Praxis kann es aufgrund der Platzbegrenzungen schwierig sein,
beide Ziele zu erreichen.
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Alle anderen Aspekte der zweiten und dritten Ausführungsformen sind im wesentlichen
dieselben wie bei der ersten Ausführungsform, und die Beschreibung unter Bezugnahme auf
die Figuren 1c, 1d, 2a bis 2d, 3, 4 und 6 gilt in gleicher Weise für die zweite und dritte
Ausführungsform.
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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.