DE69730914T2

DE69730914T2 - Kraftfahrzeugservolenkung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69730914T2
Application number: DE69730914T
Authority: DE
Inventors: Joel Edward Unionville Birsching; Michael Paul Midland Richardson; Thomas Arthur Washington Perry
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: EP0819597A2; DE69730914D1; EP0819597B1; US5738182A; EP0819597A3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet der Erfindung ist das von Kraftfahrzeugservolenkungsvorrichtungen mit einer elektromagnetischen Steuerungsvorrichtung des Typs mit einer variierbaren Reluktanz, um den Lenkkraftaufwand des Fahrers, der erforderlich ist, um ein gegebenes Niveau von Kraftunterstützung zu erzeugen, zu variieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die US 5 070 956 A , die den nächstliegenden Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, beschreibt ein hydraulisches Lenkkraftverstärkungssystem mit herkömmlichen relativ drehbaren Spulen- und Ventilkörperelementen, die mit einem lenkbaren Kraftfahrzeugrad und einem Lenkrad verbunden sind, um den Druck der hydraulischen Lenkkraftunterstützung zu regeln, einem Drehstab, der ein mechanisches Zentriermoment zwischen den Spulen- und Ventilkörperelementen erzeugt, und einem integrierten elektromagnetischen Mechanismus, der eine zusätzliche Verbindung mit variierbarer Nachgiebigkeit zwischen den Spulen- und Ventilkörperelementen definiert, um den Lenkkraftaufwand des Fahrers, der erforderlich ist, um ein gegebenes Niveau von Kraftunterstützung zu erzeugen, einzustellen.
Der integrierte elektromagnetische Mechanismus umfasst ein feststehendes Fluss leitendes Element 136 (Bezugsziffern beziehen sich auf die US 5 070 956A ), Fluss leitende Drehelemente 130, 132, die für eine Drehung mit einem jeden von den Spulen- und Ventilkörperelementen gelagert sind, und eine feststehende Erregerspule, die radial außerhalb der Fluss leitenden Drehelemente angeordnet und mit diesen durch das feststehende Fluss leitende Element magnetisch verbunden ist, um einen Flusspfad durch die Fluss leitenden Elemente und durch Luftspalte dazwischen bereitzustellen. Jedes von den Fluss leitenden Drehelementen weist eine gleiche Anzahl von Zähnen auf, die in den Spalt in Richtung des anderen Elementes ragen, um die Reluktanz des Luftspalts bei einer relativen Drehung zu variieren. Es wird kein Permanentmagnet, verwendet.
Wenn die Erregerspule mit Gleichstrom aktiviert wird, definieren die Zähne eines jeden Drehelementes elektromagnetische Pole, die mit den Polen des anderen Elementes in Wechselwirkung treten. Die elektromagnetischen Pole sind derart orientiert, dass die Pole radial ausgerichtet sind, wenn die Spulen- und Ventilkörperelemente zentriert sind und der Drehstab frei von Moment ist. Dies erzeugt eine anziehende magnetische Kraft zwischen den Polen und ein positives magnetisches zentrierendes Moment, wenn eine relative Drehverschiebung der Spulen- und Ventilkörperelemente erfolgt, wobei das Moment bestrebt ist, die Anordnung in die zentrierte Position zurückzubringen. Die Größe des Rückstellmoments ist abhängig von dem durch die Erregerspule bereitgestellten Strom.
Im Aufbau ist eines von den Drehelementen rotatorisch an einem innen liegenden Ende des Spulenelementes befestigt, und das andere, das das eine um den Umfang umgibt, ist an einem Ritzel befestigt, das an einem innen liegenden Ende des Drehstabes und des Ventilkörperelementes befestigt ist. Dieser Aufbau würde vier signifikante Luftspalte in dem magnetischen Flusskreis bereitstellen, wäre nicht das feststehende Fluss leitende Element, das die Anzahl signifikanter Luftspalte auf drei verringert. Das feststehende Fluss leitende Element sorgt Jedoch auch für einen parasitären Flusspfad zwischen der Erweiterung 140 und dem Fluss leitenden Drehelement 132, der das Fluss leitende Drehelement 130 umgeht, und der das Moment signifikant vermindern kann. Die Erregerspule ist um den Umfang des äußersten von den Drehelementen herum angeordnet, was den Durchmesser des Gehäuses erhöht, das in einen beengten Abschnitt eines Motors passen muss. Es besteht ein Verhältnis von annähernd 1 : 1 zwischen der Breite um den Umfang der Zähne und dem Abstand zwischen den Zähnen an den Drehelementen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Servolenkungsvorrichtung der Erfindung ist eine Verbesserung von jener nach dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik, wobei die verbesserte Konstruktion ein Paket mit geringerem Durchmesser und ein erhöhtes Spitzen-Rückstellmoment bereitstellt.
Bei der Servolenkungsvorrichtung der Erfindung ist der äußere Durchmesser der Vorrichtung dadurch verringert, dass die relativ drehbaren Zähne der Momenteinstellvorrichtung vom Typ mit variierbarer Reluktanz axial neben der Erregerspule angeordnet sind. Auch passt das Gehäuse mit kleinerem Durchmesser leichter in einen beengten Abschnitt eines Motors.
Zusätzlich ist der innere Satz von Zähnen an einer Erweiterung des sich durch die Erregerspule erstreckenden Ventilkörpers ausgebildet, und der äußere Satz von Zähnen ist an einem an der Spulenwelle befestigten äußeren Polelement ausgebildet. Dies sorgt für drei Luftspalte ohne die Notwendigkeit des feststehenden Fluss leitenden Elementes und beseitigt somit einen Teil sowie einen parasitären Flusspfad, um Kosten zu verringern und das Spitzen-Rückstellmoment zu erhöhen.
Überdies ist ein Kernabschnitt des äußeren Polelementes, der den äußeren Satz von Zähnen an der Spulenwelle hält, nicht magnetisch, um einen Streufluss, der den variierbaren Luftspalt umgeht, zu verringern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der variierbare Luftspalt zwischen den Zähnen durch ein Fertigungsverfahren genau gesteuert und minimiert werden, bei dem ein zylindrisches Ventilelement mit einer Vielzahl von Zähnen und ein äußeres Polelement mit einer übereinstimmenden und gegenüber liegenden Vielzahl von Zähnen, die beide an der Spulenwelle laufen, jedes vor der Fertigstellung der Zähne vollständig gebildet wird, so dass die Zahnflächen eines jeden radial genau auf die zylindrische Außenfläche der Spulenwelle bezogen werden können, wenn die Elemente daran angeordnet werden. Die resultierende Vorrichtung kann mit einem sehr kleinen Luftspalt zwischen den Zähnen in deren ausgerichteter Position vorgesehen sein, so dass die Reluktanzänderung mit der Drehung einer Vielzahl von Zähnen in Bezug auf die andere erhöht wird.
Überdies kann bei einer bevorzugten Ausführungsform das Moment weiter erhöht sein, indem die Zähne einer jeden Vielzahl mit einem Zahnabstand/Zahnbreiten-Verhältnis um den Umfang von im Wesentlichen 2 : 1 ausgebildet sind. Die resultierende Vorrichtung weist im Vergleich mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik mit einem typischen Verhältnis von 1 : 1 eine erhöhte maximale elektromagnetische Momentabgabe auf, da sich die Zähne vollständig frei von den gegenüber liegenden Zähnen bewegen können, ohne im Wesentlichen mit benachbarten gegenüber liegenden Zähnen in Wechselwirkung zu treten, und sie somit den Reluktanzbereich weiter vergrößern können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Kraftfahrzeugservolenkungsgetriebes gemäß der Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in 1 ohne Drehung zwischen den inneren und äußeren Zähnen;
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in 1 mit einer Drehung von 4,5 Grad zwischen den inneren und äußeren Zähnen;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ein Kraftfahrzeugservolenkungsgetriebe 10 mit variierbarem Aufwand gemäß der Erfindung ist innerhalb eines zweistücken Gehäuses 12, das ein Zahnstangengehäuse 14 und ein allgemein zylindrisches Ventilgehäuse 15 umfasst, angeordnet. Ein Ritzelkopf 18 mit einer Vielzahl von Ritzelzähnen 20 daran ist an einem außen liegenden Ende durch ein Wälzlager 22 und an einem innen liegenden Ende durch ein Gleitlager 24 drehbar in dem Zahnstangengehäuse 14 gelagert. Eine Zahnstange 26 mit einer Vielzahl von Zahnstangenzähnen, die mit den Ritzelzähnen 20 an dem Ritzelkopf verzahnt sind, ist in dem Gehäuse 14 für eine Bewegung rechtwinklig zu dem Ritzelkopf in Ansprechen auf eine Drehung desselben gelagert. Die Enden, nicht gezeigt, der Zahnstange 26 sind mit lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeugs auf herkömmliche Weise verbunden.
Das Ventilgehäuse 15 weist einen Abschnitt 16 mit einem kleinen Durchmesser an einem innen liegenden Ende und einen Abschnitt 17 mit einem großen Durchmesser an einem außen liegenden Ende davon auf. Eine rohrförmige Spulenwelle 28 des Lenkgetriebes ragt in das Ventilgehäuse 15 durch einen Deckel 30 und eine ringförmige Flüssigkeitsdichtung 31 an dem außen liegenden Ende davon hinein und erstreckt sich durch den Abschnitt 17 mit einem großen Durchmesser und in den Abschnitt 16 mit einem kleinen Durchmesser hinein. Die Spulenwelle 28 ist durch einen Lagersatz 32 an dem Deckel 30 gelagert und ist mit einer inneren axialen Bohrung 29 versehen. Ein gesteuertes Proportionalventil in dem Ventilgehäuse 15, ähnlich dem in dem US-Patent 4 454 801 beschriebenen Ventil, umfasst einen Drehstab 34 innerhalb der Bohrung 29 der Spulenwelle 28. Ein gezahntes innen liegendes Ende 36 des Drehstabes ragt über das entsprechende Ende 38 der Spulenwelle innerhalb des Abschnittes mit einem kleinen Durchmesser des Ventilgehäuses 15 hinaus und ist in einer Bohrung an der Unterseite einer Gegenbohrung 40 in dem Ritzelkopf 18 pressgepasst. Ein außen liegendes Ende 42 des Drehstabes 34 ist durch einen Stift 46 mit einem außen liegenden Ende 44 der Spulenwelle 28 verbunden. Das außen liegende Ende 44 der Spulenwelle 28 ist mit einem Handlenkrad, nicht gezeigt, des Kraftfahrzeugs für eine Drehung mit diesem als eine Einheit verbunden. Eine Totgang-Verbindung in der Gegenbohrung 40 erlaubt eine Verdrehung (z. B. etwa 7 Grad) des Drehstabes 34 und eine relative Winkelbewegung zwischen dem Ritzelkopf 18 und der Spulenwelle 28.
Ein zylindrisches Ventilelement umfasst einen Ventilkörper 48, der einen Spulenventilabschnitt 33 der Spulenwelle 28 innerhalb des Abschnittes 16 mit einem kleinen Durchmesser des Ventilgehäuses 15 umgibt, und ist durch ein Paar Hülsen 50 und 51 drehbar an diesem gelagert; und ein Paar radialer Stifte 52 an dem innen liegenden Ende des Ventilkörpers 48 fixiert den Ventilkörper 48 und somit das zylindrische Ventilelement 49 für eine Drehung mit dem Ritzelkopf 18, wodurch das zylindrische Ventilelement 49 mit den lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeuges für eine Dre hung derselben mit der Lenkdrehung verbunden ist. Das zylindrische Ventilelement 49 ist über die Stifte 52 und den Ritzelkopf 18 auch mit dem innen liegenden Ende des Drehstabes 34 verbunden. Die Verwindung des Drehstabes 34 erzeugt somit eine relative Drehung zwischen dem zylindrischen Ventilelement 49 und der Spulenwelle 28; und diese relative Drehung öffnet und schließt verschiedene Öffnungen, die zwischen dem zylindrischen Ventilelement 49 und der Spulenwelle 28 definiert sind, um den Flüssigkeitsdruck von der Servolenkungspumpe, nicht gezeigt, zu einem Lenkunterstützungsmotor, ebenfalls nicht gezeigt, zu regulieren. Details über den Aufbau und die Funktion der Flüssigkeitsdruckregulierung sind im Stand der Technik mit den vorstehend erwähnten Patenten Nr. 4 454 801 und 5 492 191 zu finden. Dieser Aufbau und diese Funktion sind jedoch nur Hintergrund und Umfeld; ihre genaue Natur ist zum Verständnis der Erfindung nicht relevant, außer der Anmerkung, dass, je mehr das zylindrische Ventilelement 49 von einer zentralen Position, in der der Drehstab 34 nicht gebogen ist, in einer der Richtungen gedreht wird, der Differentialflüssigkeitsdruck und die nachfolgende Lenkunterstützungskraft in der entsprechenden Richtung umso größer sein wird.
Der elektromagnetische Aufbau des Servolenkungsgetriebes 10 umfasst eine Spule 60, die in einer Isolierspule 62 gewickelt und in axialer Ausrichtung an dem inneren Ende des Abschnittes 17 mit einem großen Durchmesser des Ventilgehäuses 15 gehalten ist. Ein Erweiterungselement ist so auf die Hülse 51 gepresst, dass sie eine außen liegende Erweiterung 70 davon bildet, so dass der Ventilkörper 48, die außen liegende Erweiterung 70 und die Hülsen 50 und 51 zusammen das zylindrische Ventilelement 49 bilden, das durch die Hülsen 50 und 51 für eine Drehung als eine Einheit an einer zylindrischen Außenfläche 27 der Spulenwelle 28 gelagert ist. Das äußere Polelement 80 ist durch einen Spritzguss 82 an der zylindrischen Außenfläche 27 der Spulenwelle 28 befestigt und dreht sich als ein Teil mit dieser. Somit erzeugt die relative Drehung zwischen der Spulenwelle 28 und dem zylindrischen Ventilelement 49 eine entsprechende relative Drehung zwischen dem zylindrischen Ventilelement 49 mit seiner außen liegenden Erweiterung 70 und dem äußeren Polelement 80.
Die außen liegende Erweiterung 70 des zylindrischen Ventilelementes 49 umfasst einen Kernabschnitt 72, der sich von dem Ventilkörper 48, mit dem er für eine Drehung verbunden ist, axial durch die Spule 60 in der Richtung nach außen erstreckt. Ein Zahnabschnitt 73 der außen liegenden Erweiterung 70 erstreckt sich von dem außen liegenden Ende des Kernabschnittes 72 entlang der außen liegenden Seite der Spule 60 radial nach außen und endet in einer Vielzahl (26 bei dieser Ausführungsform, obwohl 24, vorgezogen werden können) von nach außen vorragenden Zähnen 74, die axial neben der Spule 60 angeordnet sind. Das äußere Polelement 80 ist mit einem nicht magnetischen Kernabschnitt 84 und einem magnetischen Zahnabschnitt 86 versehen. Der Kernabschnitt 84 erstreckt sich von der Spulenwelle 28 an der außen liegenden Seite der außen liegenden Erweiterung 70 des zylindrischen Ventilelementes 49 und radial über diese hinaus nach außen; und der Zahnabschnitt 86 erstreckt sich axial von dem radial äußeren Ende des Kernabschnittes 84 in Richtung der Spule 60. Wie in 2 zu sehen, ist der Zahnabschnitt 86 radial außerhalb des Zahnabschnittes 73 der außen liegenden Erweiterung 70 und um diesen herum angeordnet und mit einer identischen Vielzahl von vorragenden Zähnen 88 versehen, von denen ein jeder radial nach innen in Richtung eines entsprechenden Zahnes von den radial nach außen vorragenden Zähnen 74 gerichtet ist. Jeder Zahn 88 weist ein radiales Ende auf, das im Wesentlichen die Hälfte oder weniger von dem Umfangswinkel zwischen diesem Zahn und dem nächsten benachbarten Zahn 88 an beiden Seiten davon um den Umfang umspannt; das Gleiche gilt für die Zähne 74. Bei dieser Ausführungsform umspannen die Zähne einen Umfangswinkel von etwa 4,5 Grad und sie sind durch einen Winkel von etwa 9 Grad (10,5 Grad bei 24 Zähnen) getrennt. Die Zähne 88 sind einzeln mit den Zähnen 74 in der Drehposition der außen liegenden Erweiterung 70 und des Polelementes 80 ausgerichtet, wie in 2 dargestellt, was einer mittleren Position des Ventilkörpers 48 relativ zu der Spulenwelle 28 entspricht, in der über den Drehstab 34 kein Moment ausgeübt wird.
Das Ventilgehäuse 15 besteht aus einem magnetischen Material wie z. B. Temperguss. Der Ventilkörper 48 des zylindrischen Ventilelementes 49 besteht aus einem magnetischen Material wie z. B. Stahl. Die außen liegende Erweiterung 70 des zylindrischen Ventilelementes 49 wie auch der Zahnabschnitt 86 des äußeren Polelementes 80 bestehen aus magnetischem durch ein Pulverisierungsverfahren mit Phosphor pulverisiertem Eisen. Der Kernabschnitt 84 des äußeren Polelementes 80 besteht aus einem steifen, nicht magnetischen Material wie z. B. rostfreier Stahl. Der Deckel 30 besteht aus einem nicht magnetischen Material wie etwa Aluminium. Somit ist ein magnetischer Flusskreis um die Spule 60 herum definiert, wie durch die gestrichelte Linie durch den Abschnitt 17 mit einem großen Durchmesser des Ventilgehäuses links und außerhalb von der Spule 60 in 1 dargestellt, über einen radial äußeren Luftspalt 90 zwischen dem Ventilgehäuse 15 und dem Zahnabschnitt 86 des äußeren Polelementes 80, durch den Zahnabschnitt 86 und die Zähne 88, über den Luftspalt 92 zwischen den Zähnen 88 und den gegenüber liegenden Zähnen 74 des zylindrischen Ventilelementes 49, und durch den Kernabschnitt 72 und den Ventilkörper 48 des zylindrischen Ventilelementes 49, zurück zu dem Ventilgehäuse 15 durch einen Luftspalt dazwischen. Da der Kernabschnitt 84 des äußeren Polelementes 80 und der Deckel 30 nicht magnetisch sind, tritt kein die Luftspalte umgehender signifikanter Streufluss hierdurch auf, und dies konzentriert den maximalen durch den Strom in der Spule 60 erzeugten Fluss über diese Luftspalte. Zusätzlich verlaufen die magnetischen Kräfte zwischen dem zylindrischen Ventilelement 49 und der Spulenwelle 28 radial und um den Umfang, da die Zähne 74 und 88 relativ zueinander radial und nicht axial angeordnet sind.
Der elektromagnetische Aufbau des Servolenkungsgetriebes 10 arbeitet als ein variierbarer Reluktanzmomenterzeuger. Es gibt keine Permanentmagneten, und der einzige magnetische Fluss wird von einem durch die Spule 60 bereitgestellten elektrischen Strom erzeugt. Dieser Fluss ist in dem magnetischen Material um den vorstehend beschriebenen magnetischen Kreis herum konzentriert, mit geringem Streufluss und drei signifikanten Luftspalten hintereinander. Der radial äußere Luftspalt 90 zwischen dem Ventilgehäuse 15 und dem Zahnabschnitt 86 des äußeren Polelementes 80 schwankt nicht signifikant mit der relativen Drehung der Zähne. Der weitere Luftspalt 92 zwischen gegenüber liegenden Flächen 75 und 89 der Zähne 74 und 88 umfasst die Vielzahl paralleler Luftspalte zwischen den gegenüber liegenden Zähnen 74 und 88, und dieser schwankt mit der relativen Drehung der Zähne. In der relativen mittleren oder Null-Moment-Position der Spulenwelle 28 und des Drehstabes 34 sind die Zähne 74 der außen liegenden Erweiterung 70 mit den Zähnen 88 des Polelementes 80 ausgerichtet, wie in 2 dargestellt. In dieser Position betragen die Luftspalte zwischen den Zähnen ein Minimum. 3 zeigt die relativ zueinander um 4,5 Grad gedrehten Zähne. In dieser Position haben sich die radialen Enden der gegenüber liegenden Zähne 74 und 88 gerade übereinander hinaus bewegt, und die Luftspalte dazwischen und somit die Gesamtreluktanz des magnetischen Kreises sind effektiv viel größer. Bei einem konstanten Strom in der Spule 60 wird ein Moment zwischen der außen liegenden Erweiterung 70 und dem äußeren Polelement 80 erzeugt, das versucht, die Gesamtreluktanz zu verringern, und dieses Moment ist ein Rückstellmoment, das versucht die Vorrichtung in Richtung der Position von 2 zurückzudrehen. Das Rückstellmoment nimmt mit dem Drehwinkel von Null Grad in 2 auf 4,5 Grad in 3 zu, da bei dem 2 : 1 Abstand zwischen benachbarten Zähnen noch immer eine volle Zahnbreite Abstand zwischen einem Zahn an einem Element und dem nächsten Zahn in der Drehrichtung an dem anderen Element und daher eine geringe Verminderung des Moments hieraus vorhanden ist. Die Vorrichtung ist entworfen, um in diesem gesamten Bereich von Null bis 4,5 Grad Drehung in jeder Richtung von der mittleren Position zu arbeiten.
Das maximale oder Spitzen-Rückstellmoment der Vorrichtung mit der Drehung wird mit dem kleinstmöglichen minimalen Luftspalt 92 zwischen den Flächen 75 bzw. 89 der Zähne 74 bzw. 88 erzielt. Um den kritischen Luftspalt zwischen den Zähnen 74 und 88 zu steuern, werden die Elemente 50, 51, 48 und 70 in dem zylindrischen Ventilelement 49 angeordnet, bevor die Flächen der Zähne 74 gefertigt werden, um für eine genau gesteuerte radiale Abmessung zwischen den radial inneren Flächen 50A und 51A der Hülsen 50 bzw. 51 und den radial äußeren Flächen 75 der Zähne 74 zu sorgen, und somit wird eine sorgfältig gesteuerte radiale Differenz zwischen den Zahnflächen 75 und den radial inneren Flächen 50A und 51A erhalten. Das zylindrische Ventilelement 49 dreht sich nicht mit der Spulenwelle 28, läuft aber an dieser mittels der Hülsen 50 und 51. Die Innenflächen 50A und 51A dieser Hülsen sind mit einem radialen Abstand von 0,006 mm (0,00025 Zoll) mit Bezug auf die radiale Außenfläche der Spulenwelle 28 versehen, um so eine nicht bindende relative Drehung zu erlauben, aber eine Flüssigkeitsabdichtung für das Hydrauliköl in dem Ventil zu bilden.
Das äußere Polelement 80 wird zu einer einzelnen Einheit gebildet, bevor die radial inneren Flächen 89 der Zähne 88 gefertigt werden, und dies erzeugt zusammen mit seinem festen Metallaufbau einen sorgfältig gesteuerten radialen Abstand zwischen diesen Zahnflächen und der radial inneren Fläche 85, die eng auf die zylindrische Außenfläche 27 der Spulenwelle 28 gepasst wird. Somit kann, da sich eine jede von den Zahnflächen 75 in einem sorgfältig gesteuerten radialen Abstand von den inneren Flächen 50A und 51A des zylindrischen Ventilelementes 49 befindet, sich eine jede von den Zahnflächen 89 in einem sorgfältig gesteuerten radialen Abstand von der inneren Fläche 85 des äußeren Polelementes 80 befindet, und sich die inneren Flächen 50A, 51A und 85 alle neben der zylindrischen Außenfläche 27 der Spulenwelle 28 befinden, der radiale Abstand zwischen den Zahnflächen 75 und 89 für einen sorgfältig gesteuerten minimalen Luftspalt 92 dazwischen gesteuert werden, in Abhängigkeit von den größeren von den Abständen zwischen den inneren Flächen 50A/51A des zylindrischen Ventilelementes 49 und der inneren Fläche 85 des äußeren Polelementes 80 relativ zu der zylindrischen Außenfläche 27 der Spulenwelle 28. Zwischen dem äußeren Polelement 80 und der Spulenwelle 28 besteht ein Abstand von 0,025 mm, wenn diese aneinander befestigt sind, und die Summe aus diesem Abstand und dem 0,006 mm Abstand zwischen dem zylindrischen Ventilelement 49 und der Spulenwelle 28 erzeugt eine Gesamttoleranz von 0,031 mm, was erlaubt, die minimale radiale Größe des Luftspaltes 92 in einem Bereich von 0,127–0,204 mm (0,005–0,008 Zoll) für ein hohes Spitzen-Momentleistungsvermögen zuverlässig zu steuern.
Das Spitzen-Momentleistungsvermögen wird ferner durch die relative Umfangsgröße und den Abstand der Zähne erhöht. Für eine maximale Wirkung sollte die Winkelumfangsbreite eines Zahnes etwa gleich dem unidirektionalen Drehbereich der Vorrichtung aus ihrer mittleren Position sein, so dass gegenüber liegende innere und äußere Zähne bei der maximalen Drehung voneinander gerade frei sind. Somit wird die Anzahl der Zähne dem gewünschten Abstand zwischen ihnen umgekehrt proportional sein. Es hat sich gezeigt, dass für einen gegebenen Durchmesser des Luftspaltes und Winkeldrehbereiches das Spitzen-Moment mit der Anzahl der Zähne bis zu einem Maximum zunimmt und dann abfällt. Dieses Maximum ist erreicht, wenn die Zähne ausreichend nahe aneinander liegen, dass ein Zahn mit mehr als einem Zahn von den gegenüber liegenden Zähnen auf einmal in Wechselwirkung zu treten beginnt. Solche Mehrfach-Wechselwirkungen verringern die Gesamtreluktanzänderung mit relativer Drehung der Zähne. Es hat sich gezeigt, dass das Zahnabstand/Breiten-Verhältnis dieses Maximums bei etwa 2 : 1 liegt. Im Stand der Technik ist der Zahnabstand im Allgemeinen etwa so breit wie die Zahnbreite für ein Verhältnis von 1 : 1. Bei einer solchen Anordnung würde z. B. einer von den Zähnen 74 beginnen, mit einem Nachbarn des gegenüber liegenden Zahnes 88 in Wechselwirkung zu treten, bevor er den gegenüber liegenden Zahn 88 vollständig freigeben würde, und die Schwankung in der Reluktanz würde somit verringert werden. Bei einem Verhältnis von 2 : 1 ist ein Zahn 74 zu dem Zeitpunkt, an dem der gegenüberliegende Zahn 88 freigegeben wird, von dem Nachbarn des gegenüber liegenden Zahnes 88 noch immer eine volle Zahnbreite entfernt, und die Wechselwirkung des benachbarten Zahnes ist minimal. Die Reluktanzdifferenz zwischen dieser Drehposition und der mittleren Position ist größer ohne Zahnwechselwirkung, und dies erzeugt ein größeres Spitzen-Moment. Bei Verhältnissen über 2 : 1 wird keine signifikante Verstärkung relativ zu einer benachbarten Zahnwechselwirkung erzielt. Zusätzlich ist bei Verhältnissen, die wesentlich über 2 : 1 liegen, auf Grund der geringeren Anzahl mehr von dem magnetischen Feld in jedem Zahn konzentriert, und Sättigungseffekte können das Spitzen-Moment vermindern.

Claims

Kraftfahrzeugservolenkungsvorrichtung (10), in Kombination umfassend: ein zylindrisches Gehäuse (15) aus einem magnetischem Material und mit einem Abschnitt (16) mit einem kleinen Durchmesser an einem innen liegenden Ende davon und einem Abschnitt mit einem großen Durchmesser (17) an einem außen liegenden Ende davon; eine Spulenwelle (28), die sich von dem außen liegenden Ende des Gehäuses durch dessen Abschnitt (17) mit einem großen Durchmesser und in den Abschnitt (16) mit einem kleinen Durchmesser hinein erstreckt, und die ein außen liegendes Ende (44), das mit einem Fahrzeuglenkrad für eine Drehung mit diesem verbunden ist, eine innere Bohrung (29), und eine zylindrische Außenfläche aufweist; einen Drehstab (34) mit einem außen liegenden Ende (42), das mit dem außen liegenden Ende (44) der Spulenwelle (28) für eine Drehung mit dieser verbunden ist, und der sich durch die Bohrung (29) zu einem innen liegenden Ende innerhalb des Abschnittes (16) mit einem kleinen Durchmesser des Gehäuses (15) erstreckt, wobei das innen liegende Ende (36) des Drehstabes (34) mit einem Fahrzeugrad für eine Lenkdrehung mit diesem verbunden ist; ein zylindrisches Magnetventilelement (49), das einen Spulenventilabschnitt (33) der Spulenwelle (28) innerhalb des Abschnittes (16) mit einem kleinen Durchmesser des Gehäuses (15) umgibt, wobei ein innen liegendes Ende des zylindrischen Ventilelements (49) mit dem innen liegenden Ende (36) des Drehstabes (34) für eine Dre hung mit diesem verbunden ist und relativ zu dem Spulenventilabschnitt (33) der Spulenwelle (28) gedreht werden kann, um Ventilöffnungen dazwischen zum Dosieren eines Servolenkungsfluid-Verstärkungsdruckes zu variieren, wobei das zylindrische Ventilelement (49) ein Paar von axial getrennten inneren Hülsenabschnitten aufweist, das an der zylindrischen Außenfläche der Spulenwelle mit einem radialen Abstand dazwischen läuft, der ausreichend klein ist, um eine relative Drehung dazwischen zu erlauben, aber einen hydraulische Abdichtung damit bildet; eine elektrische Spule (60), die an dem innen liegenden Ende des Abschnittes (17) mit einem großen Durchmesser des Gehäuses angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet ist, dass das zylindrische Ventilelement (49) eine Erweiterung mit einem Kernabschnitt (72), der sich axial davon durch die elektrische Spule (60) in Richtung des außen liegenden Endes des Gehäuses erstreckt, und mit einem Zahnabschnitt, der sich entlang der außen liegenden Seite der elektrischen Spule (60) radial nach außen erstreckt und in einer ersten Vielzahl von Zähnen (74) endet, die sich radial nach außen erstrecken und in Zahnflächen (75) enden, aufweist; ein äußeres Polelement (80) einen nicht magnetischen Kernabschnitt (84) aufweist, der an der Außenfläche der Spulenwelle (28) für eine Drehung mit dieser befestigt ist, und sich an der außen liegenden Seite des Zahnabschnittes (74) des zylindrischen Ventilelements (49) und radial über diesen hinaus radial nach außen erstreckt, sowie einen magnetischen Zahnabschnitt (86), der sich axial von dem nicht magnetischen Kernabschnitt (84) in der Richtung nach innen auf die elektrische Spule (60) zu und zwischen der ersten Vielzahl von Zähnen (74) und dem Abschnitt (17) mit einem gro ßen Durchmesser des Gehäuses (15) erstreckt, wobei der magnetische Zahnabschnitt (86) umfasst: eine zweite Vielzahl von Zähnen (88), deren Anzahl gleich der ersten Vielzahl von Zähnen (74) ist, und die radial nach innen auf diese zu ragen und in Zahnflächen (89) enden, die den Zahnflächen (75) der ersten Vielzahl von Zähnen (74) gegenüber liegen, wobei ein Luftspalt zwischen den gegenüber liegenden Zahnflächen (75, 89) der ersten (74) und zweiten (88) Vielzahl von Zähnen vorgesehen ist, der der elektrischen Spule (60) axial benachbart und mit dem Gehäuse (15) in einem die elektrische Spule (60) umgebenden magnetischen Kreis magnetisch gekoppelt ist; und der radiale Abstand zwischen den inneren Hülsenabschnitten (50, 51) des Ventilkörpers und der zylindrischen Außenfläche der Spulenwelle (28) signifikant kleiner als der Luftspalt ist, so dass die gegenüber liegenden Zahnflächen der ersten (74) und zweiten (88) Vielzahl von Zähnen zur Minimierung des Luftspaltes genau radial relativ zu der Außenfläche der Spulenwelle (28) und somit relativ zueinander angeordnet sind.
Kraftfahrzeugservolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei für jede von der ersten (74) und zweiten (88) Vielzahl von Zähnen ein jeder Zahn eine Umfangsbreite aufweist, die im Wesentlichen nicht größer ist als die Hälfte des Abstandes zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Zähnen.
Verfahren zum Herstellen einer Kraftfahrzeugservolenkungsvorrichtung (10) des Typs mit einer in einem Gehäuse (15) gelagerten Spulenwelle (28) mit einer zylindrischen Außenfläche, einem zylindrischen Magnetventilelement (49), das für eine relative Drehung an der zylindrischen Außenfläche der Spulenwelle (28) gelagert und mit dieser durch einen Drehstab (34) verbunden ist, einem äußeren Polelement (80), das an der zylindrischen Außenfläche der Spulenwelle (28) für eine Drehung mit dieser befestigt ist, und einer Erregerspule (60), die innerhalb des Gehäuses (15) feststehend angeordnet ist, umfassend die Schritte dass: das zylindrische Ventilelement (49) mit einem Paar innerer Hülsenflächen (50A, 51A), die ausgebildet sind, um hydraulische Abdichtungen mit der zylindrischen Außenfläche der Spulenwelle (28) zu bilden, und mit einer axialen Erweiterung (72), die mit einer Vielzahl von radial nach außen gerichteten Zähnen (74) mit radial äußeren Zahnflächen (75) versehen ist, gebildet wird; nach dem Bilden des zylindrischen Ventilelementes (49) die radial äußeren Zahnflächen (75) gefertigt werden, um für einen gesteuerten radialen Abstand zwischen den äußeren Zahnflächen (75) und den inneren Hülsenflächen (50A, 51A) zu sorgen; das äußere Polelement (80) mit einem nicht magnetischen Kernabschnitt (84) mit einer inneren Einbaufläche (85) und mit einer magnetischen axialen Erweiterung (86), die eine übereinstimmende Vielzahl von radial nach innen gerichteten Zähnen (88) mit inneren Zahnflächen (89) aufweist, gebildet wird; nach dem Bilden des äußeren Polelementes (80) die inneren Zahnflächen (89) gefertigt werden, um für einen gesteuerten radialen Abstand zwischen den inneren Zahnflächen (89) und der inneren Einbaufläche (85) zu sorgen; das zylindrische Ventilelement (49) an der Spulenwelle (28) mit den äußeren Zahnflächen (75) axial neben der Erregerspule (60) angebaut wird; das äußere Polelement (80) an der Spulenwelle (28) mit den inneren Zahnflächen (89) axial neben der Erregerspule (60) und ausgerichtet mit den äußeren Zahnflächen (75) angebaut wird; und das äußere Polelement (80) an der Spulenwelle (28), wobei die inneren (89) und äußeren Zahnflächen (75) ausgerichtet sind, und mit einem vorbestimmten Moment in dem Drehstab (34) befestigt wird, wobei zwischen den inneren (89) und äußeren (75) Zahnflächen ein Luftspalt (92) gebildet wird, der eine radiale Abmessung aufweist, die durch den gesteuerten radialen Abstand einer jeden Zahnfläche zu der zylindrischen Außenfläche (50A, 51A, 85) der Spulenwelle (28) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Bildens des zylindrischen Ventilelementes ferner die Schritte umfasst, dass: ein zylindrischer Ventilkörper (48) gebildet wird; ein Erweiterungselement (72) mit der Vielzahl von radial nach außen gerichteten Zähnen (74) gebildet wird; ein Paar Hülsenelemente (50, 51) gebildet wird, von denen ein jedes eine von dem Paar innerer Hülsenflächen aufweist; und das Erweiterungselement (72) und die Hülsenelemente (50, 51) mit dem zylindrischen Ventilkörper (48) zusammengefügt werden.