IT9020341A1 - Servosterzo per autoveicoli - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "Servosterzo per autoveicoli"

Riassunto del trovato

L'invenzione riguarda un servosterzo per autoveicoli, in cui il motore elettrico dell'unità di pompaggio viene alimentato con potenza elettrica in dipendenza della coppia di sterzatura necessaria e/oppure della velocità del veicolo. (Fig. 2)

Descrizione del trovato

L'invenzione riguarda un servosterzo per autoveicoli conformemente alla definizione introduttiva della rivendicazione 1. Uno sterzo di tale tipo è noto dal DE-OS 31 00 067, laddove il motore elettrico viene in verità alimentato con potenza elettrica in dipendenza della velocità; tuttavia soltanto nel caso di un azionamento dello sterzo. Questo noto servosterzo presenta in verità il vantaggio del risparmio energetico rispetto a servosterzi, nei quali la pompa viene fatta funzionare permanentemente, tuttavia esso non è in grado di fornire con rapidità di reazione la sua piena servopotenza in caso di improvviso fabbisogno.

L'invenzione si pone pertanto il compito di realizzare un servosterzo del genere in questione per autoveicoli, che è contraddistinto da un basso consumo energetico, da modesto riscaldamento del motore elettrico e da un tempo di reazione del sistema estremamente breve; in particolare esso dovrà presentare una semplice costruzione.

Questo problema viene risolto secondo l'invenzione mediante la parte caratterizzante della rivendicazione 1.

Con la soluzione secondo l'invenzione il motore elettrico viene disinserito ad alte velocità, come quelle usuali ad esempio al di fuori dei centri abitati. Nell'intervallo di velocità, che predomina solitamente nel traffico cittadino, la pompa viene fatta funzionare nel cosiddetto modo ''stand-by“. Conseguentemente in primo luogo si risparmia energia elettrica, e d'altro canto il liquido idraulico non viene riscaldato eccessivamente, il che influenza vantaggiosamente la durata utile delle parti interessate ed il sistema di rendimento complessivo. Nell' intervallo di velocità che è al di fuori di circa 20Km/h, il motore elettrico funziona parimenti nel modo "stand-by" , e tuttavia in caso di improvviso elevato fabbisogno di potenza idraulica esso pub fornirla dopo un tempo di intervento estremamente breve, poiché la pompa già rotante è in grado di fornire in brevissimo tempo la sua piena potenza.

Una forma di realizzazione preferita dell'invenzione prevede che la servoassistenza idraulica può essere attivata soltanto dopo il superamento di una determinata soglia di coppia di sterzatura, per cui l'aumento del numero di giri del motore elettrico avviene soltanto in presenza di un fabbisogno minimo di servoassistenza. Ciò migliora ancora una volta l'effetto di risparmio energetico e quindi naturalmente minimizza anche la rumorosità.

Per l'alimentazione di potenza del motore elettrico è adatta ad esempio una batteria con presa centrale, rispettivamente un'unità a batteria costituita di due batterie. Nell' intervallo medio di velocità viene quindi prelevata la tensione di una batteria, mentre nel caso di un elevato fabbisogno di potenza ad una bassa velocità del veicolo vengono inserite consecutivamente le due batterie. In un'ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione è previsto che il motore elettrico presenta due avvolgimenti di eccitazione comandabili in dipendenza della velocità. Se il servosterzo dovrà essere fatto funzionare con un'usuale batteria di autoveicolo e con un motore elettrico ad uno stadio, allora per la riduzione di tensione, con perdita parti cefiarmento minima è addatto un sistema di comando a impulsi -pause con corrispondente rapporto di modulazione.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche nonché il funzionamento dell'invenzione risultano dalla seguente descrizione in base ad esempi di realizzazione dell' invenzione, nonché dalle ulteriori sottorivendicazioni.

In particolare:

la Fig. 1 mostra una forma di realizzazione dell'invenzione con una valvola di comando che tramite un elemento elastico vincolato è accoppiato all'albero di sterzartura,

la Fig. 2 mostra un circuito di comando per il motore elettrico della pompa idraulica,

la Fig. 3 mostra un ulteriore circuito di comando,

le Figg. 4, 6 e 7 mostrano un dispositivo di comando per il motore elettrico,

la Fig. 5 mostra un diagramma numero di giri-coppia di un motore elettrico a corrente continua,

la Fig. 8 mostra un diagramma corrente-tempo durante un' operazione di sterzatura.

La Fig. 1 mostra un dispositivo di sterzatura, in cui il movimento relativo fra l'albero di sterzatura 2 e la sua cassa 3 viene utilizzato per azionare il cassetto di distribuzione 1 della valvola di comando. A tale scopo la cassa 3 della scatola guida è accoppiata rigidamente con la carrozzeria del veicolo; la scatola guida è realizzata nella forma di sterzo a cremagliera con dentatura elicoidale. La parte 4 dell' albero di sterzatura 2, che porta il pignone di azionamento 5 è supportata assialmente scorrevole nella cassa 3. La scorrevolezza assiale viene ottenuta per il fatto che l'anello esterno di un cuscinetto a sfere 6 fissato assialmente sull'albero dello sterzo, è guidato su una superficie di scorrimento fra gli arresti 7 e 8 in maniera scorrevole.

La parte 4 dell'albero di sterzatura 1 è accoppiata ad articolazione con l'organo di accoppiamento 9, che a guisa di sede è cianfrinato con l'estremità 10, eseguita a forma di sfera, della parte 4. Nell'organo di accoppiamento 9 è avvitata una vite 11, che poggia sul cassetto di distribuzione 1 e tramite l'elemento elastico vincolato 12 è accoppiata, precaricata elesticamente, con la cassa 3. Per la compensazione della corsa assiale della parte 4 dell' albero di sterzatura, questa tramite un dispositivo di compensazione 13 è accoppiato con il volante di sterzatura. Quando il volante di sterzatura viene ruotato dal conducente in un senso, allora questa rotazione del pignone di azionamento 5 viene convertita in un movimento assiale della cremagliera 14. Per effetto della dentatura elicoidale, a seconda del senso di rotazione del volante di sterzatura, viene attivata una componente dinamica assiale della parte 4, che porta come conseguenza ad uno spostamento assiale di questa parte, fino a quando l'anello esterno del cuscinetto a sfere 6 o poggia sull'arresto 7 oppure sull' arresto 8. In tal modo in dipendenza del senso di sterzatura viene sollecitato il cassetto di distribuzione 1. Il cassetto di distribuzione 1 in maniera di per sè nota regola la sollecitazione alla presssione di un non rappresentato cilindro di lavoro, il quale presenta un pistone differenziale ed è accoppiato allo sterzo meccanico. Il cassetto di distribuzione 1 regola l'accoppiamento fra il raccordo 15 della pompa, la camera del cilindro di lavoro con la maggiore superficie di sollecitazione a pressione - raccordo 16 della camera - e del recipiente depressurizzato - raccordo 17 del recipiente.

La Fig. 2 schematicamente mostra un circuito di comando per il motore elettrico della pompa. L'albero di sterzatura 2 fa capo ad una scatola guida con accoppiato cilindro idraulico e con valvola di comando integrata, ad esempio conformemente alla Fig. 1. In corrispondenza della valvola di comando oppure sul pignone di azionamento è previsto un sensore di corsa, il cui segnale tramite il collegamento 20 viene addotto al dispositivo di comando elettronico 21. Come segnale d'entrata per il dispositivo di comando elettronico 21 sono previsti inoltre i segnali del sensore 22 della velocità di sterzatura e/oppure della coppia di sterzatura e del sensore 23 della velocità del veicolo, laddove quest' ultimo sensore viene formato da un tachimetro elettronico oppure da sensori delle ruote, eventualmente previsti, di un impianto di frenatura dotato di protezione antibloccaggio. Il dispositivo di comando elettronico 21 tramite l'interruttore di accensione è collegabile con la batteria e mediante la linea 24 è connesso al motore elettrico del gruppo motore-pompa 25.

Il dispositivo di comando elettronico 21 comanda il motore elettrico in dipendenza della velocità, in dipendenza della coppia di sterzatura e/oppure della velocità di sterzatura, o in modo continuamente variabile oppure, come è previsto in una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, in modo discreto in dipendenza di definite soglie di velocità del veicolo.

Se il sensore 23 della velocità del veicolo segnala una velocità del veicolo superiore a 65 km/h, allora viene interrotta l'alimentazione elettrica del motore elettrico. Poiché tuttavia per tali velocità per lo più la coppia di sterzatura è così modesta, che il cassetto di distribuzione precaricato non attiva la servoassistenza idraulica, è anche pensabile che il segnale di disinserzione venga generato dal sensore di corsa sul cassetto di distribuzione oppure sul pignone di azionamento. Ciò avrebbe inoltre il vantaggio consistente nel fatto che la servoassistenza idraulica, ad esempio nel caso di lunghe curve autostradali di raggio relativamente modesto, è attivabile anche per velocità superiori a 65 km/h.

Nell'intervallo di velocità fra 20 e 65 km/h il motore commuta sul cosiddetto modo "stand-by". Il motore aumenta la sua potenza se in questo intervallo di velocità è insufficiente la potenza della pompa girante lentamente. Ciò viene stabilito dal sensore di corsa oppure dal sensore della velocità di sterzatura. Se ad esempio in questo intervallo di velocità il conducente gira assai fortemente il volabnte di sterzatura, allora il motore elettrico aumenta il suo numero di giri per rendere disponibile sufficiente volume di liquido idraulico. Se in questo intervallo di velocità è sufficiente la potenza della pompa girante lentamente, allora il motore rimane nel modo "stand-by".

Al di sotto di una velocità inferiore a 20 km/h il motore elettrico rimane nel funzionamento "stand-by", fino a quando viene avviata un'operazione di sterzatura. Se i sensori riscontrano un movimento di sterzatura, allora il dispositivo di comando elettronico 21- commuta immediatamente sulla potenza massima.

Il diagramma numero di giri-coppia rappresentato nella Fig.

5 illustra l'aumento del numero di giri del motore elettrico dal funzionamento " stand-by" alla piena potenza in caso di azionamento dello sterzo in un intervallo di velocità inferiore a 20 km/h. Se nell' intervallo di velocità fra 20 km/h e 65 km/h si rende necessaria più energia idrualica di quella fornita dalla pompa nel funzionamento "stand-by", allora essa a partire dal funzionamento "stand-by" viene aumenta nel numero di giri, e tuttavia non alla piena potenza - come è indicato tratteggiato - ma solo su un valore fra “stand-by" e il 100%.

La Fig. 3 mostra schematicamente un sistema di comando del motore, che dipende dalla velocità del veicolo, dalla velocità di sterzatura e dall'assorbimento di corrente del motore elettrico. Poiché la sollecitazione della pompa aumenta in caso di sollecitazione a pressione del cilindro di lavoro, aumenta in questo caso anche l'assorbimento di corrente del motore. In tal modo l'assorbimento di corrente rappresenta anche un indicatore per la coppia di sterzatura. Pertanto il sensore di corrente può assumere la funzione del sensore di corsa sul cassetto di distribuzione oppure sul pignone di azionamento secondo la Fig. 2. Conseguentemente si semplifica la costruzione dell'intero servosterzo, poiché un sensore di corrente può essere integrato nel circuito elettrico di comando senza dispendio, mentre un sensore di corsa oltre al montaggio richiede anche un aggiuntivo collegamento elettronico dalla parte meccanico-idraulica al circuito elettrico. La regolazione del comando del motore elettrico avviene in base alla stessa strategia della realizzazione secondo la Fig. 2.

Una riduzione della tensione nel circuito elettrico di comando del motore elettrico per mezzo di un sistema di comando a impulsi -pause con corrispondente rapporto di modulazione è realizzabile con perdite particolarmente minime impiegando un cosiddetto Power-MOS-FET come interruttore elettronico. Un circuito di tale tipo è rappresentato schematicamente nella Fig. 4. Il Power-MOS-FET 27 e la resistenza 26 del sensore di corrente sono inseriti in serie nella linea di alimentazione elettrica dell' unità motore-pompa 2 5. La caduta di tensione, sulla resistenza 26 della sonda di corrente, proporzionale alla corrente del motore, tramite un filtro 28 viene addotta ad un comparatore 29 che raffronta questa tensione effettiva con una tensione di riferimento. In dipendenza del segnale di uscita del comparatore l'interruttore Power-MOS-FET 27 viene inserito/disinserito a impulsi per mezzo di un sistema di comando 30, oppure viene inserito permanentemente. Se la caduta di tensione sulla resistenza 26 della sonda di corrente è inferiore alla tensione di riferimento, allora il motore 25 viene fatto funzionare a impulsi, e se questa tensione è superiore alla tensione di riferimento esso viene inserito permanentemente. Affinchè sia garantito un sicuro funzionamento del comparatore 29, questo presenta un' isteresi.

Conformemente alla Fig. 6 il segnale di tensione proporzionale alla corrente del motore viene derivato sulla resistenza 26 della sonda di corrente ed addotto a due comparatori. Il comparatore K1 commuta dal comando a impulsi-pause (stand-by) al comando permanente, se la tensione effettiva è superiore alla tensione di riferimento OR fr che è associata al comparatore Kl. Se, dopo l'operazione di sterzatura, la tensione effettiva risulta inferiore alla tensione di riferimento <u>3⁄4ef2' che ® associata al comparatore K2, allora viene effettuata di nuovo la commutazione a ritroso sul funzionamento "stand-by". Entrambi i comparatori operano in dipendenza della direzione, poiché altrimenti sussisterebbe uno stato indefinito fra i due valori di soglia della tensione.

La Fig. 8 a tale scopo mostra un diagramma corrente-tempo, in cui è schematizzata un' operazione di sterzatura. All' inizio della sterzatura aumenta la necessaria coppia di sterzatura per cui aumenta la corrente. Ad un determinato valore di corrente si verifica una prima caduta di tensione effettiva sulla resistenza 26 della sonda di corrente che è superiore alla prima tensione di riferimento <U>Ref]/ pertanto il motore viene comandato con una maggiore potenza. Se al termine dell' operazione di sterzatura si verifica la caduta della coppia del motore, allora sulla resistenza 26 della sonda di corrente viene

prelevata una tensione effettiva che è inferiore alla seconda tensione di riferimento <u>Ref2* *1 <m>°tore elettrico pertanto viene fatto funzionare soltanto ancora con la potenza "stand-by" . Nel sistema di comando 30 secondo la Fig. 6 è indicato schematicamente il comando a impulsi-pause previsto nel funzionamento "stand-by"; superiormente è rappresentato l'inserimento permanente. Il dispositivo circuitale secondo la Fig. 4 si distingue rispetto a quanto precedentemente detto per il fatto che aggiuntivamente tramite la velocità del veicolo si può preassegnare un rapporto impulsi-pause variabile, oppure inserito in stadi. In tal modo dalla situazione di arresto del motore fino all'inserimento permanente si può impostare qualsiasi caratteristica a piacere.

Legenda

1 Cassetto di distribuzione

2 Albero di sterzatura

3 Cassa

4 Parte

Pignone di azionamento

Cuscinetto a sfere

Arresto

Arresto

Organo di accoppiamento

Estremità

Vite

Elemento elastico

Dispositivo di compensazione Cremagliera

Raccordo pompa

Raccordo camera

Raccordo recipiente

Collegamento

Dispositivo di comando elettronico Sensore di velocità di sterzatura Sensore di velocità del veicolo Linea

Unità a motore-pompa

Resistenza della sonda di corrente Power-MOS-SET

Filtro

Comparatore

Sistema di comando

Claims (12)

1. Servosterzo per autoveicoli con una pompa idraulica, che è azionata da un motore elettrico e tramite condutture idrauliche mediante una servovalvola è collegabile con almeno una camera di lavoro di un cilindro idraulico, che per la servoassistenza di sterzatura è accoppiato ad uno sterzo meccanico, laddove la potenza addotta al motore elettrico viene comandata da un segnale dipendente dalla velocità del veicolo, caratterizzato dalle seguenti caratteristiche: l' alimentazione di potenza elettrica del motore elettrico è interrotta al di sopra di una prima soglia di velocità; al di sotto di questa prima soglia di velocità del veicolo il motore elettrico viene azionato con potenza ridotta; al di sotto di una seconda soglia di velocità del veicolo, che è inferiore alla prima soglia di velocità del veicolo, al motore elettrico viene addotta la piena potenza elettrica, quando è attivata la servoassistenza idraulica.

2. Servosterzo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la servoassistenza idraulica viene attivata solo dopo il superamento di una soglia di coppia di sterzatura.

3. Servosterzo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la potenza ridotta viene ottenuta per mezzo di una presa centrale di batteria.

4. Servosterzo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il motore elettrico (2) presenta differenti avvolgimenti di eccitazione comandabili in dipendenza della velocità.

5. Servosterzo secondo una delle rivendicazioni precendenti, caratterizzato dal fatto che il comando del motore elettrico avviene tramite un sistema di comando a impulsi-pause, in cui il rapporto di modulazione e/oppure la frequenza è variabile in dipendenza della velocità.

6. Servosterzo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che per il comando a impulsi-pause un Power-MOS-FET ed una resistenza della sonda di corrente sono disposti nel circuito elettrico di alimentazione di potenza.

7. Servosterzo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che uno spostamento, provocato da una forza di sterzatura, di un elemento costruttivo dello sterzo meccanico, supportato scorrevole rispetto al corpo del veicolo precaricato elasticamente, serve all'azionamento della valvola di comando.

8. Servosterzo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che per la precarica elastica è previsto un elemento elastico vincolato.

9. Servosterzo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la prima soglia di velocità del veicolo è prevista a circa 65 km/h mentre la seconda soglia di velocità del veicolo è prevista a circa 20 km/h.

10. Servosterzo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la potenza elettrica addotta al motore elettrico dipende da una o più delle seguenti grandezze di stato di esercizio: a) velocità di sterzatura e/oppure accelerazione di sterzatura; b) coppia di sterzatura; c) corsa della valvola di comando oppure corsa di un elemento costruttivo dello sterzo meccanico, scorrevole in dipendenza della forza di sterzatura; d) pressione e/oppure variazione di pressione; e) corrente e/oppure variazione di corrente; f) numero di giri e/oppure variazione del numero di giri.

11. Servosterzo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la variazione, dipendente dalla velocità, della potenza addotta al motore elettrico, avviene in maniera continua.

12. Servosterzo secondo una delle rivendicazione precedenti, caratterizzato dal fatto che la variazione, in dipendenza della velocità, della potenza addotta al motore elettrico, avviene mediante variazione discreta della potenza in dipendenza di definite velocità del veicolo.