EP0927128A1 - Electrically assisteds steering booster - Google Patents

Electrically assisteds steering booster

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Publication number
EP0927128A1
EP0927128A1 EP97937394A EP97937394A EP0927128A1 EP 0927128 A1 EP0927128 A1 EP 0927128A1 EP 97937394 A EP97937394 A EP 97937394A EP 97937394 A EP97937394 A EP 97937394A EP 0927128 A1 EP0927128 A1 EP 0927128A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steering
gear
motor
arrangement according
shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP97937394A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Hirschauer
Daniel Brunnschweiler
Stefan Battlogg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Presta AG
Original Assignee
Krupp Presta AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krupp Presta AG filed Critical Krupp Presta AG
Publication of EP0927128A1 publication Critical patent/EP0927128A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0409—Electric motor acting on the steering column
    • B62D5/0412—Electric motor acting on the steering column the axes of motor and steering column being parallel
    • B62D5/0415—Electric motor acting on the steering column the axes of motor and steering column being parallel the axes being coaxial

Definitions

  • the invention relates to a steering arrangement according to the preamble of claim 1.
  • a steering arrangement with electrically assisted steering aid has become known from EP 0 411 600.
  • the force coupling of the servo motor takes place on the side of the steering wheel shaft or the steering spindle via a bevel gear.
  • a clutch is arranged between the electric motor on the side and the bevel gear.
  • sensors detect the position of the steering wheel shaft, which is processed by control electronics and which operates the servomotor in accordance with the desired servo function.
  • Electrically operated steering aids have the advantage over the known hydraulically operated steering aids that they require less drive energy and thus fuel savings of 5-10% are possible.
  • the desired power transmission characteristic can be realized better with electronic controls than with hydraulic devices.
  • the known electrically operated steering aids have the disadvantage that they require a relatively large amount of installation space.
  • the object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the aforementioned prior art.
  • the task consists in realizing an electric steering aid for a steering arrangement, which has an extremely compact design and which allows a quick response with good dynamics with an attractive steering behavior for the driver to be achieved with economical manufacturability.
  • the servo motor is designed as a disk-shaped electric motor and is installed directly coaxially in the shaft of the steering spindle, the steering shaft or the steering gear journal, the necessary reduction gear also being disk-shaped and also coaxially between the motor and the shaft of the steering spindle , the steering shaft or the steering gear journal is installed.
  • Disk-shaped is understood to mean that the width or the diameter is greater than the axial length.
  • electric motors DC or AC motors with or without brushes, i.e. also electronically commutated motors, can be used.
  • Reluctance motors are also particularly suitable, especially if they are switched electronically.
  • a disc rotor motor is very suitable as an electric motor because of the very quick response due to the small rotor masses.
  • This disc rotor motor can be built extremely flat.
  • a particularly suitable disk-shaped drive is the piezoelectric traveling wave motor, since it can achieve a high torque even at low speeds.
  • a gearbox can even be dispensed with, or the effort for the gearbox can be kept lower.
  • So-called epicyclic gears are suitable as flat gears, in which the main axis of the gearing lies within the circumference of an epicyclic gear, which are to be classified in particular in group F16H 1/32 of the international patent classification.
  • tension shaft gears which have an elliptical rotor, a flexible, externally toothed transmission element and an internally toothed ring as the transmission element, or harmonious drive gears, as these are very flat and with few parts with the high required reductions of up to a few hundred times can be built. If the reduction ratios are very large, it is easily possible to sandwich several gear discs in series without significantly increasing the size in the axial direction.
  • a particularly suitable embodiment of the harmony drive is the so-called pulsator gear, as it is in the magazine "Construction Electronics Mechanical Engineering” KEM November 1996 (ISSN 0934-0270, Verlag Konradin-Robert Kohlhammer GmbH, D-70771 Leinfelden-Echterdingen) on pages 94 to 95 is described in more detail as a so-called brain gear.
  • This transmission is particularly suitable for the present application because, in addition to the very flat design, it is low-noise, enables high power densities, is maintenance-free and inexpensive and has no play.
  • the plastic design allows a high degree of backlash and low-cost manufacture of the gearbox, which makes it particularly predestined for the present application in addition to all other known types of gearbox.
  • the inventive motor-gear combination and the coaxial installation lead to a high degree of efficiency, which enables additional fuel savings compared to the prior art.
  • the most favorable installation position of the inventive motor-gear arrangement is in the area of the steering shaft, which means that the full length of the coaxial steering shaft is retained in the event of a crash.
  • a controllable coupling is required between the drive and the shaft to be driven, which, for example, allows the servo drive to be decoupled from the shaft when driving fast and in the event of a breakdown.
  • the coupling device is combined with the transmission or integrated into the transmission.
  • a magnetic clutch in particular an electromagnetically operated clutch, such as a hysteresis clutch, which allows the degree of clutch engagement to be easily controlled, even at different speeds.
  • Fig. 1 shows schematically, in the form of a schematic diagram, the different areas of a steering column train
  • Fig. 2 shows schematically and in section a steering spindle assembly with servo drive according to the prior art
  • FIG. 3 shows schematically and in a sectional view an arrangement according to the invention of a coaxially constructed servo drive
  • the steering wheel 1 is divided into three areas, which are denoted by points A to D.
  • the steering wheel 1 is fastened at the end point A.
  • the other end of the steering shaft 3 is at a universal joint Point B connected to the steering shaft 5.
  • the steering shaft 5 is in turn connected via a universal joint at point C to the steering gear journal 6 with point D, ie the steering gear.
  • the steering shaft 5 and the steering spindle 3 are preferably designed to be telescopically displaceable in order to be able to absorb energy in the event of a crash.
  • the steering spindle 3 is mounted in a steering column housing, which in turn is connected to the vehicle housing via the steering column fastening 4.
  • phase II In the event of a crash, the front part of the vehicle is compressed in phase I and the displaceable steering shaft 5 yields in relation to the fixed point B. At the same time, the vehicle driver moves in the direction of the arrow 2 towards the steering wheel 1 and impacts there, the steering spindle 3 likewise absorbing energy by being pushed into one another. This is called phase II. In the event of a crash, it is important that sufficient telescopic sliding travel for shafts 3 and 5 can be maintained and that this is not restricted by additional installations.
  • FIG. 2 shows in section the upper part of a steering line according to the prior art, namely the steering wheel spindle 3 between points A and B.
  • the steering wheel is fastened to one end 7 of the spindle 3 and a universal joint 9 is arranged at the other end of the spindle, which connects the spindle 3 to the steering shaft 5.
  • the steering wheel spindle 3 is designed to be coaxial and longitudinally displaceable and is rotatably supported with the bearings 10 in the direction of the spindle longitudinal axis 8.
  • the shaft of the steering wheel spindle 3 is coupled to a gear 11, this gear being designed in a known manner as a bevel gear or as a worm gear.
  • an electric motor 12 is arranged coupled to the transmission 11.
  • the longitudinal spindle 3 with the servo drive 11, 12 is held in a housing 4 and fastened to the vehicle housing.
  • the commonly used direct current motors 12, of known design, have an elongated design, which means that the motor is fully extended on one side and thus makes poor use of the limited installation space available.
  • FIG. 3 An arrangement according to the invention is shown schematically in cross section in FIG. 3.
  • the housing 16 of the preferred disk rotor motor is fixedly mounted with respect to the vehicle housing 23, the gear shaft 18, which is connected and driven by the rotor disk 17, being rotatably mounted coaxially with the spindle 3 with the bearings 15.
  • the disc rotor motor has the permanent magnet 19 generating magnetic fields on both sides of the rotor disc 17. This engine design can be built extremely compact and flat.
  • the shaft 18 driven by the motor is elliptical in shape in the area of the gearbox core and deforms the elastic pulsator 20 when it rotates, which, due to the toothing 24 in the peripheral area, also moves the outer ring gear 19, which forms the gearbox output and is connected to the shaft 3, in a reduced manner.
  • a movement of the transmission outlet 19 is only possible if the stator 21 is fixedly connected to the vehicle housing 23. When this connection 22 is released, the rotor 21 rotates and the transmission outlet 19 remains in place.
  • the controllable connection or locking device 22 can thus be used to implement a simple coupling function which is inherent due to the structure of the transmission concept is realized.
  • the use of a magnetic clutch, in particular an electromagnetically operable clutch 22, is particularly easy to control and wear-free.
  • the magnetic clutch also offers rapid decoupling in the event of engine malfunctions, as well as high dynamics, ie quick response of the steering assistance.
  • automatic resetting is facilitated by rapid uncoupling when the driver does not require a moment.
  • the restoring force of the front axle is sufficient to straighten the wheels.
  • Another very suitable coupling design is the electroviscous fluid coupling. The principle is based on the fact that an electrical voltage controls the viscosity of a liquid, which in turn can be used for power transmission.
  • Such a coupling like the magnetic coupling mentioned above, allows rapid controllability. In addition, it is easy to set up and can be controlled with little power.
  • gear stator 21 With a relative movement of the gear stator 21 with respect to the vehicle housing 23, the power transmission behavior can even be controlled.
  • the gear stator 21 can optionally be braked to a standstill or even set in the opposite direction of rotation.
  • Motor-gear assemblies of the present type can be constructed together with the coupling in an extremely compact, coaxial manner on the shaft axis, preferably with dimensions ⁇ 90 mm in the axial direction with a diameter of less than 200 mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)

Abstract

This invention concerns a steering device for motor vehicles with an electric servomotor as a steering booster consisting of a disk armature motor (13) and a pulsating drive (14), which are co-axially builit into the shaft (3) of the steering wheel spindle. This manner of construction is highly economical, results in exceptional economy of space and makes possible a dynamic response characteristic with good transmission characteristics for responsive stering behavior when steering the vehicle.

Description

Elektrisch unterstützte LenkhilfeElectrically assisted steering aid
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenkanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a steering arrangement according to the preamble of claim 1.
Aus der EP 0 411 600 ist eine Lenkanordnung bekannt geworden mit elektrisch unterstützter Lenkhilfe. Die Krafteinkopplung des Servomotors erfolgt seitlich der Lenkradwelle beziehungsweise der Lenkspindel über ein Kegelradgetriebe. Zwischen dem seitlich angebrachten Elektromotor und dem Kegelradgetriebe ist eine Kupplung angeordnet. Sensoren erfassen in bekannter Art die Position der Lenkradwelle, welche von einer Steuerelektronik verarbeitet wird und entsprechend der gewünschten Servofunktion den Servomotor betreibt. Elektrisch betriebene Lenkhilfen weisen gegenüber den bekannten hydraulisch betriebenen Lenkhilfen den Vorteil auf, dass sie weniger Antriebsenergie benötigen und somit Kraftstoffeinsparungen möglich sind von 5-10%. Ausserdem ist die erwünschte Kraftübertragungskennlinie mit elektronischen Regelungen besser zu realisieren als bei hydraulischen Vorrichtungen. Die bekannten elektrisch betriebenen Lenkhilfen weisen den Nachteil auf, dass sie relativ viel Einbauraum benötigen. Beim Automobilbau ist der zur Verfügung stehende Raum generell äusserst knapp. Der seitlich angebaute Motorantrieb führt zu einer grossen Ausladung des Servoantriebes und ist somit einer platzsparenden Anordnung im Fahrzeug hinderlich. Das benötigte Kegelgetriebe führt ausserdem dazu, dass ein relativ grosser Anteil der Lenkspindellänge für den Servoantrieb benötigt wird, was beispielsweise auf Kosten von zusätzlichen Sicherheitsfunk- tionen geht. Bei einem Aufprall des Lenkers auf das Steuerrad uss die Energie möglichst vorteilhaft aufgenommen werden, um den Fahrzeuglenker nicht zu verletzen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Lenkspindel in so einem Fall durch telesko- partiges Ineinanderschieben nachgeben soll. Daraus entsteht die Forderung möglichst lange Schiebewege für die Energieabsorptionsvorrichtung zur Verfügung stellen zu können, was mit den bekannten Servoantrieben gemass Stand der Technik nicht ohne weiteres möglich ist. Ein weiterer Nachteil besteht bei bekannten Vorrichtungen darin, dass diese durch den komplizierten Aufbau neben mechanischem Spiel auch wegen grossen zu bewegenden Massen eine gewisse Reaktionsträgheit aufweisen, was sich negativ auf das Lenkverhalten und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.A steering arrangement with electrically assisted steering aid has become known from EP 0 411 600. The force coupling of the servo motor takes place on the side of the steering wheel shaft or the steering spindle via a bevel gear. A clutch is arranged between the electric motor on the side and the bevel gear. In a known manner, sensors detect the position of the steering wheel shaft, which is processed by control electronics and which operates the servomotor in accordance with the desired servo function. Electrically operated steering aids have the advantage over the known hydraulically operated steering aids that they require less drive energy and thus fuel savings of 5-10% are possible. In addition, the desired power transmission characteristic can be realized better with electronic controls than with hydraulic devices. The known electrically operated steering aids have the disadvantage that they require a relatively large amount of installation space. In the automotive industry, the space available is generally extremely scarce. The side-mounted motor drive leads to a large projection of the servo drive and is therefore a space-saving arrangement in the vehicle. The required bevel gear also leads to the fact that a relatively large proportion of the steering spindle length is required for the servo drive, which, for example, comes at the cost of additional safety functions. If the handlebar hits the steering wheel, the energy is absorbed as advantageously as possible so as not to injure the vehicle driver. This is achieved by the steering spindle being replaced by telescopic should give way partially. This results in the requirement of being able to provide sliding paths for the energy absorption device which are as long as possible, which is not readily possible with the known servo drives according to the prior art. Another disadvantage of known devices is that due to the complicated structure, in addition to mechanical play, they also have a certain inertia due to the large masses to be moved, which has a negative effect on steering behavior and economy.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin die Nachteile des vorerwähnten Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine elektrische Lenkhilfe für eine Lenkanordnung zu realisieren, welche äu- sserst kompakt aufgebaut ist und welche es erlaubt, ein rasches Ansprechverhalten mit einer guten Dynamik mit ansprechendem Lenkverhalten für den Lenker zu erzielen bei wirtschaftlicher Herstellbarkeit.The object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the aforementioned prior art. In particular, the task consists in realizing an electric steering aid for a steering arrangement, which has an extremely compact design and which allows a quick response with good dynamics with an attractive steering behavior for the driver to be achieved with economical manufacturability.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäsε durch die Anordnung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsfor- men.The object is achieved according to the invention by the arrangement according to the characterizing part of claim 1. The dependent claims define further advantageous embodiments.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Servomotor als scheibenförmiger Elektromotor ausgebildet ist und direkt koaxial in die Welle der Lenkspindel, der Lenkwelle oder dem Lenkgetriebezapfen eingebaut ist, wobei das notwendige Untersetzungsgetriebe ebenfalls scheibenförmig ausgeführt ist und ebenfalls koaxial zwischen Motor und der Welle der Lenkspindel, der Lenkwelle oder dem Lenkgetriebezapfen eingebaut ist. Unter scheibenförmig wird verstanden, dass die Breite bzw. der Durchmesser grösser ist als die axiale Länge. Als Elektromotoren kommen DC- oder AC-Motoren mit oder ohne Bürsten, also auch elektronisch kommutierte Motoren in Frage. Gut geeignet sind auch Reluktanzmotoren, insbesondere wenn sie elektronisch geschaltet sind. Als Elektromotor ist wegen dem sehr schnellen Ansprechverhalten durch die geringen Rotormassen ein Scheibenläufermotor sehr geeignet. Dieser Scheibenläufermotor kann äusserst flach aufgebaut werden. Ein besonders geeigneter scheibenförmiger Antrieb ist der piezoelektrische Wanderwellenmotor, da dieser auch bei kleinen Drehzahlen ein hohes Anzugsmoment erreichen kann. Bei geeigneter Ausführung des Wanderwellenmotors kann sogar auf ein Getriebe verzichtet werden, bzw. der Aufwand für das Getriebe kleiner gehalten werden. Als flache Getriebe sind sogenannte Umlaufgetriebe geeignet, in denen die Hauptachse des Getriebes innerhalb des Umfanges eines Umlaufrades liegt, welche insbesondere in die Gruppe F16H 1/32 der internationalen Patentklassifikation einzuordnen sind. Besonders geeignet sind Spannungswellengetriebe, welche einen elliptischen Rotor, ein flexibles, aussenverzahntes Übertragungselement und als Getriebeelement einen innenverzahnten Ring aufweisen oder Har- monic-Drive-Getriebe, da diese bei den hohen geforderten Untersetzungen von bis zu einigen hundertfach, sehr flach und mit wenigen Teilen aufgebaut werden können. Bei sehr grossen geforderten Untersetzungsverhältnissen ist es ohne weiteres möglich, mehrere Getriebescheiben sandwichartig hintereinan- derzuschalten ohne die Baugrösse in axialer Richtung wesentlich zu erhöhen. Eine speziell geeignete Ausführungsform des Harmonie-Drives ist das sogenannte Pulsatorgetriebe, wie es in der Zeitschrift "Konstruktion Elektronik Maschinenbau" KEM November 1996 (ISSN 0934-0270, Verlag Konradin-Robert Kohlhammer GmbH, D-70771 Leinfelden-Echterdingen) auf Seite 94 bis 95 detaillierter als sogenanntes Hirngetriebe beschrieben ist. Dieses Getriebe ist für die vorliegende Anwendung deshalb besonders geeignet, weil es neben der sehr flachen Bauform geräuscharm ist, hohe Leistungsdichten ermöglicht, wartungsfrei und kostengünstig ist und Spielfreiheit aufweist. Die Kunststoffausführung erlaubt neben dem hohen übertragbaren Drehmoment hohe Spielfreiheit und eine preisgünstige Herstellung des Getriebes, was es für die vorliegende Anwendung neben allen andern bekannten Getriebearten besonders prädestiniert. Die erfinderische Motor-Getriebe-Kombination und die koaxiale Einbauweise führen zu einem hohen Wirkungsgrad was gegenüber dem Stand der Technik zusätzliche Kraft- stoffeinsparungen ermöglicht.The object is achieved according to the invention in that the servo motor is designed as a disk-shaped electric motor and is installed directly coaxially in the shaft of the steering spindle, the steering shaft or the steering gear journal, the necessary reduction gear also being disk-shaped and also coaxially between the motor and the shaft of the steering spindle , the steering shaft or the steering gear journal is installed. Disk-shaped is understood to mean that the width or the diameter is greater than the axial length. As electric motors, DC or AC motors with or without brushes, i.e. also electronically commutated motors, can be used. Reluctance motors are also particularly suitable, especially if they are switched electronically. A disc rotor motor is very suitable as an electric motor because of the very quick response due to the small rotor masses. This disc rotor motor can be built extremely flat. A particularly suitable disk-shaped drive is the piezoelectric traveling wave motor, since it can achieve a high torque even at low speeds. With a suitable design of the traveling wave motor, a gearbox can even be dispensed with, or the effort for the gearbox can be kept lower. So-called epicyclic gears are suitable as flat gears, in which the main axis of the gearing lies within the circumference of an epicyclic gear, which are to be classified in particular in group F16H 1/32 of the international patent classification. Particularly suitable are tension shaft gears, which have an elliptical rotor, a flexible, externally toothed transmission element and an internally toothed ring as the transmission element, or harmonious drive gears, as these are very flat and with few parts with the high required reductions of up to a few hundred times can be built. If the reduction ratios are very large, it is easily possible to sandwich several gear discs in series without significantly increasing the size in the axial direction. A particularly suitable embodiment of the harmony drive is the so-called pulsator gear, as it is in the magazine "Construction Electronics Mechanical Engineering" KEM November 1996 (ISSN 0934-0270, Verlag Konradin-Robert Kohlhammer GmbH, D-70771 Leinfelden-Echterdingen) on pages 94 to 95 is described in more detail as a so-called brain gear. This transmission is particularly suitable for the present application because, in addition to the very flat design, it is low-noise, enables high power densities, is maintenance-free and inexpensive and has no play. In addition to the high transferable torque, the plastic design allows a high degree of backlash and low-cost manufacture of the gearbox, which makes it particularly predestined for the present application in addition to all other known types of gearbox. The inventive motor-gear combination and the coaxial installation lead to a high degree of efficiency, which enables additional fuel savings compared to the prior art.
Die günstigste Einbaulage der erfinderischen Motor-Getriebe- Anordnung ist im Bereich der Lenkspindelwelle, womit der volle Längenspielraum der koaxialen Lenkwelle im Crashfall erhalten bleibt. Neben den Sensoren und der Steuerelektronik für den Motorantriebe wird zwischen Antrieb und der zu treibenden Welle eine steuerbare Kupplung benötigt, welche es beispielsweise erlaubt bei schneller Fahrt und bei einer Panne den Servoantrieb von der Welle zu entkoppeln. Um einen kompakten Aufbau der scheibenförmigen Motor-Getriebe- Anordnung beizubehalten ist es vorteilhaft, wenn die Kupplungseinrichtung mit dem Getriebe kombiniert beziehungsweise ins Getriebe integriert wird. Bei einem Harmonic-Drive- Getriebe (Harmonie Drive Limited, Chichester West Sussex England) und insbesondere bei einem Pulsatorgetriebe lässt sich dies einfach realisieren, indem der Getriebestator nach Bedarf mit einer Arretiervorrichtung gelöst oder gegenüber dem Fahrzeuggehäuse fixiert wird. Wenn die Arretiervorrichtung so ausgeführt ist, dass der Getriebestator gegenüber dem Fahrzeuggehäuse relativ bewegbar ist, kann die Kupplungsübertra- gungskennlinie sogar gesteuert werden. Dazu ist allenfalls ein weiterer kleiner Antriebsmotor oder eine Bremse notwendig, welche je nach gewünschter Kennlinie den Getriebestator in positiver oder negativer Drehrichtung bewegt. Besonders kompakt, verschleissfrei und leicht steuerbar in der scheibenförmigen, koaxialen Anordnung ist die Verwendung einer Magnetkupplung, insbesondere einer elektromagnetisch betriebenen Kupplung, wie einer Hysteresekupplung, welche den Grad des Kupplungseingriffes leicht steuern lässt auch bei verschiedenen Drehzahlen.The most favorable installation position of the inventive motor-gear arrangement is in the area of the steering shaft, which means that the full length of the coaxial steering shaft is retained in the event of a crash. In addition to the sensors and the control electronics for the motor drives, a controllable coupling is required between the drive and the shaft to be driven, which, for example, allows the servo drive to be decoupled from the shaft when driving fast and in the event of a breakdown. In order to maintain a compact structure of the disk-shaped motor-transmission arrangement, it is advantageous if the coupling device is combined with the transmission or integrated into the transmission. In the case of a harmonic drive gearbox (Harmonie Drive Limited, Chichester West Sussex England) and in particular in the case of a pulsator gearbox, this can be achieved simply by releasing the gearbox stator as required or with a locking device Vehicle housing is fixed. If the locking device is designed such that the transmission stator can be moved relatively with respect to the vehicle housing, the clutch transmission characteristic can even be controlled. This may require a further small drive motor or a brake, which moves the geared stator in a positive or negative direction of rotation, depending on the desired characteristic. Particularly compact, wear-free and easily controllable in the disc-shaped, coaxial arrangement is the use of a magnetic clutch, in particular an electromagnetically operated clutch, such as a hysteresis clutch, which allows the degree of clutch engagement to be easily controlled, even at different speeds.
Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail below, for example, and with schematic figures. Show it:
Fig. 1 schematisch, in Form einer Prinzipdarstellung, die verschiedenen Bereiche eines LenksäulenstrangesFig. 1 shows schematically, in the form of a schematic diagram, the different areas of a steering column train
Fig. 2 schematisch und im Schnitt eine Lenkspindelanordnung mit Servoantrieb gemass Stand der TechnikFig. 2 shows schematically and in section a steering spindle assembly with servo drive according to the prior art
Fig. 3 schematisch und in Schnittdarstellung eine erfin- dungsgemässe Anordnung eines koaxial aufgebauten Servoantriebes3 shows schematically and in a sectional view an arrangement according to the invention of a coaxially constructed servo drive
Der Lenksäulenstrang gemass Fig. 1 ist in drei Bereiche gegliedert, welche mit den Punkten A bis D bezeichnet sind. An dem einen Ende der Lenkradwelle 3 beziehungsweise der Lenkspindel 3 ist am Endpunkt A das Lenkrad 1 befestigt. Das andere Ende der Lenkspindel 3 ist über ein Kreuzgelenk beim Punkt B mit der Lenkwelle 5 verbunden. Die Lenkwelle 5 ist wiederum über ein Kreuzgelenk beim Punkt C mit dem Lenkgetriebezapfen 6 mit Punkt D, d.h. dem Lenkgetriebe verbunden. Die Lenkwelle 5 und die Lenkspindel 3 werden vorzugsweise teleskopartig verschieblich ausgeführt um im Crashfall Energie absorbieren zu können. Die Lenkspindel 3 ist in einem Lenksäulengehäuse gelagert, welches wiederum über die Lenksäulenbefestigung 4 mit dem Fahrzeuggehäuse verbunden ist. Im Crashfall wird der vordere Teil des Fahrzeuges in der Phase I gestaucht und die verschiebbare Lenkwelle 5 gibt gegenüber dem Fixpunkt B nach. Gleichzeitig bewegt sich der Fahrzeuglenker in Pfeilrichtung 2 auf das Lenkrad 1 zu und prallt dort auf, wobei die Lenkspindel 3 ebenfalls durch Ineinanderschieben Energie aufnimmt. Dies wird als Phase II bezeichnet. Für den Crashfall ist es wichtig, dass genügend Teleskopschiebeweg für die Wellen 3 und 5 erhalten werden kann und dieser nicht durch zusätzliche Einbauten unzulässig beschränkt wird.1 is divided into three areas, which are denoted by points A to D. At one end of the steering wheel shaft 3 or the steering spindle 3, the steering wheel 1 is fastened at the end point A. The other end of the steering shaft 3 is at a universal joint Point B connected to the steering shaft 5. The steering shaft 5 is in turn connected via a universal joint at point C to the steering gear journal 6 with point D, ie the steering gear. The steering shaft 5 and the steering spindle 3 are preferably designed to be telescopically displaceable in order to be able to absorb energy in the event of a crash. The steering spindle 3 is mounted in a steering column housing, which in turn is connected to the vehicle housing via the steering column fastening 4. In the event of a crash, the front part of the vehicle is compressed in phase I and the displaceable steering shaft 5 yields in relation to the fixed point B. At the same time, the vehicle driver moves in the direction of the arrow 2 towards the steering wheel 1 and impacts there, the steering spindle 3 likewise absorbing energy by being pushed into one another. This is called phase II. In the event of a crash, it is important that sufficient telescopic sliding travel for shafts 3 and 5 can be maintained and that this is not restricted by additional installations.
Fig. 2 zeigt im Schnitt den oberen Teil eines Lenkstranges gemass Stand der Technik, nämlich die Lenkradspindel 3 zwischen den Punkten A und B. Das Lenkrad ist am einen Ende 7 der Spindel 3 befestigt und am andern Ende der Spindel ist ein Kreuzgelenk 9 angeordnet, welches die Spindel 3 mit der Lenkwelle 5 verbindet. Die Lenkradspindel 3 ist koaxial und längsverschieblich ausgeführt und mit den Lagern 10 drehbeweglich in Richtung der Spindellängsachse 8 gelagert. Die Welle der Lenkradspindel 3 ist mit einem Getriebe 11 gekoppelt, wobei dieses Getriebe in bekannter Art als Kegelradgetriebe oder als Schneckengetriebe ausgeführt ist. Seitlich angeflanscht ist ein Elektromotor 12 mit dem Getriebe 11 gekoppelt angeordnet. Die Längsspindel 3 mit dem Servoantrieb 11, 12 ist in einem Gehäuse 4 gehaltert und an dem Fahrzeuggehäuse befestigt. Die üblicherweise verwendeten Gleichstrommotoren 12, bekannter Bauart, weisen eine längliche Bauform auf, was eine einseitig weite Ausladung des Motors bedeutet und somit den knappen zur Verfügung stehenden Einbauraum schlecht nutzt.2 shows in section the upper part of a steering line according to the prior art, namely the steering wheel spindle 3 between points A and B. The steering wheel is fastened to one end 7 of the spindle 3 and a universal joint 9 is arranged at the other end of the spindle, which connects the spindle 3 to the steering shaft 5. The steering wheel spindle 3 is designed to be coaxial and longitudinally displaceable and is rotatably supported with the bearings 10 in the direction of the spindle longitudinal axis 8. The shaft of the steering wheel spindle 3 is coupled to a gear 11, this gear being designed in a known manner as a bevel gear or as a worm gear. Flanged on the side, an electric motor 12 is arranged coupled to the transmission 11. The longitudinal spindle 3 with the servo drive 11, 12 is held in a housing 4 and fastened to the vehicle housing. The commonly used direct current motors 12, of known design, have an elongated design, which means that the motor is fully extended on one side and thus makes poor use of the limited installation space available.
In Fig. 3 ist schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung im Querschnitt gezeigt. Ein scheibenförmiger Elektromotor 13, welcher durch die Lenkbewegung des Steuerrades als Servomotor geführt wird und ein scheibenförmiges Getriebe 14 ist koaxial auf der zu treibenden Lenkradwelle beziehungsweise Spindel 3 angeordnet. Das Gehäuse 16 des bevorzugten Scheibenläufermo- tors ist gegenüber dem Fahrzeuggehäuse 23 fixiert montiert, wobei die Getriebewelle 18, welche durch die RotorScheibe 17 verbunden und angetrieben wird, drehbeweglich koaxial zur Spindel 3 mit den Lagern 15 gelagert ist. Der Scheibenläufermotor weist in bekannter Weise beidseits zur Rotorscheibe 17 die magnetfeiderzeugenden Permanentmagnete 19 auf. Diese Motorbauart lässt sich äusserst kompakt und flach aufbauen. Die vom Motor getriebene Welle 18 ist im Bereich des Getriebekernes ellipsenförmig ausgebildet und deformiert bei Rotation den elastischen Pulsator 20, welcher durch die Verzahnung 24 im Peripheriebereich den äusseren Zahnkranz 19, welcher den Getriebeabgang bildet und mit der Welle 3 verbunden ist, untersetzt mitbewegt. Eine Bewegung des Getriebeabganges 19 ist nur möglich, wenn der Stator 21 gegenüber dem Fahrzeuggehäuse 23 ortsfest verbunden ist. Bei einem Lösen dieser Verbindung 22 dreht der Rotor 21 und der Getriebeabgang 19 bleibt an Ort. Mit der steuerbaren Verbindung bzw. Arretiervorrichtung 22 kann somit eine einfache Kupplungsfunktion realisiert werden, welche durch den Aufbau des Getriebekonzepts inhärent realisiert ist. Besonders einfach steuerbar und verschleiss- frei ist der Einsatz einer Magnetkupplung, insbesondere einer elektromagnetisch betreibbaren Kupplung 22. Die Magnetkupplung bietet ausserdem ein rasches Entkuppeln bei Fehlfunktionen des Motors, sowie eine hohe Dynamik, d.h. ein rasches Ansprechen der Lenkunterstützung. Bei Geradeausfahrt wird das selbsttätige Rückstellen erleichtert durch rasches Entkuppeln, wenn vom Fahrer kein Moment verlangt wird. In diesem Fall reicht die Rückstellkraft der Vorderachse, um die Räder gerade zu stellen. Eine weitere sehr geeignete Kupplungsausführung ist die elektroviskose Flüssigkeitskupplung. Das Prinzip beruht darauf, dass mit einer elektrischen Spannung die Viskosität einer Flüssigkeit gesteuert wird, welche wiederum zur Kraftübertragung genutzt werden kann. Eine solche Kupplung erlaubt, wie bei der vorerwähnte Magnetkupplung eine rasche Steuerbarkeit. Ausserdem ist diese einfach aufbaubar und leistungsarm steuerbar.An arrangement according to the invention is shown schematically in cross section in FIG. 3. A disk-shaped electric motor 13, which is guided as a servo motor by the steering movement of the steering wheel, and a disk-shaped gear 14 is arranged coaxially on the steering wheel shaft or spindle 3 to be driven. The housing 16 of the preferred disk rotor motor is fixedly mounted with respect to the vehicle housing 23, the gear shaft 18, which is connected and driven by the rotor disk 17, being rotatably mounted coaxially with the spindle 3 with the bearings 15. In a known manner, the disc rotor motor has the permanent magnet 19 generating magnetic fields on both sides of the rotor disc 17. This engine design can be built extremely compact and flat. The shaft 18 driven by the motor is elliptical in shape in the area of the gearbox core and deforms the elastic pulsator 20 when it rotates, which, due to the toothing 24 in the peripheral area, also moves the outer ring gear 19, which forms the gearbox output and is connected to the shaft 3, in a reduced manner. A movement of the transmission outlet 19 is only possible if the stator 21 is fixedly connected to the vehicle housing 23. When this connection 22 is released, the rotor 21 rotates and the transmission outlet 19 remains in place. The controllable connection or locking device 22 can thus be used to implement a simple coupling function which is inherent due to the structure of the transmission concept is realized. The use of a magnetic clutch, in particular an electromagnetically operable clutch 22, is particularly easy to control and wear-free. The magnetic clutch also offers rapid decoupling in the event of engine malfunctions, as well as high dynamics, ie quick response of the steering assistance. When driving straight ahead, automatic resetting is facilitated by rapid uncoupling when the driver does not require a moment. In this case, the restoring force of the front axle is sufficient to straighten the wheels. Another very suitable coupling design is the electroviscous fluid coupling. The principle is based on the fact that an electrical voltage controls the viscosity of a liquid, which in turn can be used for power transmission. Such a coupling, like the magnetic coupling mentioned above, allows rapid controllability. In addition, it is easy to set up and can be controlled with little power.
Mit einer Relativbewegung des Getriebestators 21 gegenüber dem Fahrzeuggehäuse 23 kann sogar das Kraftübertragungsverhalten gesteuert werden. Der Getriebestator 21 kann wahlweise abgebremst werden bis zum Stillstand oder sogar in Gegendrehrichtung versetzt werden. Motor-Getriebe-Anordnungen der vorliegenden Art können mit der Kupplung zusammen äusserst kompakt, koaxial auf der Wellenachse, aufgebaut werden, vorzugsweise mit Abmessungen < 90 mm in axialer Richtung bei einem Durchmesser von weniger als 200 mm. With a relative movement of the gear stator 21 with respect to the vehicle housing 23, the power transmission behavior can even be controlled. The gear stator 21 can optionally be braked to a standstill or even set in the opposite direction of rotation. Motor-gear assemblies of the present type can be constructed together with the coupling in an extremely compact, coaxial manner on the shaft axis, preferably with dimensions <90 mm in the axial direction with a diameter of less than 200 mm.

Claims

Patentansprüche claims
1. Lenkradanordnung für Kraftfahrzeuge enthaltend einen Elektroservomotor (12) und ein Getriebe (11) zur Lenkkraftunterstützung wirkverbindbar mit der Lenkspindel (3), der Lenkwelle (5) oder dem Lenkgetriebezapfen (6) dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroservomotor (13) scheibenförmig ausgebildet ist und mit einem scheibenförmigen Getriebe (14) kombiniert koaxial zu der Lenkspindel ( 3 ) , der Lenkwelle (5 ) oder dem Lenkgetriebezapfen (6) koppelbar angebracht ist.1. Steering wheel arrangement for motor vehicles containing an electric servo motor (12) and a gear (11) for steering power support operatively connected to the steering shaft (3), the steering shaft (5) or the steering gear pin (6), characterized in that the electric servo motor (13) is disc-shaped and combined with a disc-shaped gear (14) coaxially to the steering spindle (3), the steering shaft (5) or the steering gear pin (6).
2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (13) als Scheibenläufermotor ausgebildet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the electric motor (13) is designed as a disc rotor motor.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14) als Harmonic-Drive, vorzugsweise als Pulsatorgetriebe ausgebildet ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the gear (14) is designed as a harmonic drive, preferably as a pulsator gear.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Getriebe-Kombination vorzugsweise mit der Lenkspindel (3) wirkverbindbar ist.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the motor-gear combination is preferably operatively connected to the steering spindle (3).
5. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14) eine integrierte Kupplungseinrichtung (19, 21, 22, 23, 24) aufweist, vorzugsweise bestehend aus einer Arretiervorrichtung (22) zur gesteuert lösbaren Verbindung des Getriebestators (21) mit dem festen Fahrzeuggehäuse (23).5. Arrangement according to claim 3, characterized in that the gear (14) has an integrated coupling device (19, 21, 22, 23, 24), preferably consisting of a locking device (22) for the controlled releasable connection of the gear stator (21) with the fixed vehicle housing (23).
6. Anordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung (22) Antriebsmittel aufweist zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung zwischen Getriebe- Stator (21) und Fahrzeuggehäuse (23), vorzugsweise steuerbar in positiver und/oder negativer Drehrichtung.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the locking device (22) has drive means for generating a controlled relative movement between gear Stator (21) and vehicle housing (23), preferably controllable in the positive and / or negative direction of rotation.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Kupplung (22) als elektromagnetische Kupplung, vorzugsweise als elektroviskose Kupplung ausgebildet ist.7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the controlled clutch (22) is designed as an electromagnetic clutch, preferably as an electroviscous clutch.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein piezoelektrischer Wanderwellenmotor ist. 8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the motor is a piezoelectric traveling wave motor.
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