DE3525912C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Servoeinheit nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Servoeinheit ist nach der US-PS 44 48 275 bekannt.
Bei dieser Servoeinheit ist keine direkte Kupplung zwischen
der ersten Welle und der zweiten Welle vorgesehen.
Nach der DE-OS 29 51 277 ist eine elektrische Servoeinheit
bekannt, bei der eine direkte Kupplung zwischen der ersten
Welle und der zweiten Welle möglich ist, aber nicht wahlweise
eine Kupplung der ersten Welle mit der zweiten Welle über
eine Kraftunterstützungseinrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Servoeinheit
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die bei
niedriger Geschwindigkeit des Fahrzeugs eine Kraftunter
stützung
bewirken kann, bei hoher Geschwindigkeit des Fahrzeugs
dagegen selbsttätig die erste Welle mit der zweiten Welle
direkt kuppelt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel
unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die bevorzugte
Ausführungsform der elektromagnetischen
Servoeinheit, wobei ein Viertel wegge
schnitten ist;
Fig. 2 einen wesentlichen Bereich eines Mechanismus
zur Ermittlung des Drehmomentes der
Servoeinheit, wobei dieser Bereich entlang
des Pfeiles 2 der Fig. 1 betrachtet wird;
Fig. 3 ein schematisches Verbindungsdiagramm eines
Steuerkreises, der einen elektrischen Motor
und eine elektromagnetische Kupplung der
Servoeinheit der Fig. 1 enthält; und
Fig. 4 ein ausführliches Verbindungsdiagramm des
Steuerkreises der Fig. 3, der teilweise
abgeändert ist.
In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 100 die
gesamte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
elektrischen Servoeinheit. Die Servoeinheit 100
weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, das ein äußeres
Teil der gesamten Einheit bildet. Das Gehäuse 1 besteht
aus einem äußeren Joch 1 A, das einen ersten Gehäusebe
reich darstellt, in den ein Elektromotor 2 eingebaut
ist, einem zweiten Gehäusebereich 1 B, in dem als Haupt
teile ein Untersetzungsgetriebe 3 und eine elektroma
gnetische Kupplung 4 angeordnet sind, und einem dritten
Gehäusebereich 1 C, der einen Mechanismus 5 enthält,
der als ein Detektor zur Drehmomentermittlung dient.
Das Joch 1 A weist wenigstens ein Paar von Permanentma
gneten 6 auf, die als Magnetpole am Innenumfang des
Joches 1 A an symmetrischen Punkten befestigt sind. Die
Magneten 6 bilden ein Feld des Elektromotors 2. Am
linken Ende des Joches 1 A der Fig. 1 ist an der
Öffnung des Joches ein Deckelteil 9 mit einem Lager 8
befestigt, in dem der linke Bereich einer zweiten Welle
7 befestigt ist. Am linken Ende des zweiten Gehäusebe
reiches 1 B, an dem eine mittige Öffnung 1 B-1 durch
einen Endseitenbereich 1 B-2 des Gehäusebereiches 1 B
ausgebildet ist, wobei in der Öffnung ein Lager 10
befestigt ist, ist der Außenumfang des Endseitenberei
ches 1 B-2 in eine Öffnung an dem rechten Ende des
Joches 1 A eingepaßt, wobei dieser Bereich 1 B-2 des
zweiten Gehäusebereiches 1 B und der Deckel 9 des Joches
1 A durch ein Paar von relativ langen Bolzen 11 integral
aneinander befestigt sind, die an symmetrischen Posi
tionen in bezug auf die Achse der Servoeinheit 100
vorgesehen sind. Der dritte Gehäusebereich 1 C weist an
seinem linken Ende einen Öffnungsbereich 1 C-1 auf, der
auf den sich nach rechts öffnenden Endbereich des
zweiten Gehäusebereiches 1 B aufgeschraubt ist. An
seinem rechten Ende weist der dritte Gehäusebereich 1 C
einen Endbereich 1 C-2 auf, in dem ein Lager 13 zur
Lagerung des rechten Bereiches einer ersten Welle 12
befestigt ist.
Die zweite Welle 7, deren linker Bereich drehbar durch
das Lager 8 im Gehäuse 1 gelagert ist, weist an ihrem
linken Ende eine Kerbverzahnung 7 a zur Verbindung mit
einem externen Teil (nicht dargestellt) auf. Entlang
der zweiten Welle 7 und um diese herum ist ein Rotor 2 a
vorgesehen, der drehbar durch die Kombination eines
Kugellagers 15 und eines Nadellagers 16 gelagert ist.
Die Lager 15 und 16 sind beide auf die zweite Welle 7
aufgepaßt. Der Rotor 2 a enthält als Ankerwicklung des
Elektromotors 2 einen geschichteten Stahlkern als
Ankerkern 2 a-1 mit einer Mehrzahl von axialen Schlitzen
(nicht dargestellt), die in seinem Außenumfang ausge
bildet sind, und eine Ankerwicklung 2 a-2, die durch die
Schlitze verläuft.
In dem sich nach links öffnenden Endbereich des Joches
1 A ist eine ringförmige Platte 17 am Joch 1 A befestigt,
die auf ihrer linken Seite ein Paar von Bürsten 18
aufweist, die an ihr befestigt sind und symmetrisch
zueinander in bezug auf die Achse der Servoeinheit 100
angeordnet sind. Andererseits weist der Rotor 2 a als
ein Bestandteil, auf dem der Ankerkern 2 a-1 aufgepaßt
ist, einen mittleren zylindrischen Bereich 2 a-3 auf, an
dessen linkem Endteil ein Schleifring-Kommutator 19
befestigt ist, der elektrisch in einer geeigneten Weise
mit der Ankerwicklung 2 a-2 verbunden ist. Die Bürsten
18 berühren den Kommutator 19 gleitend, so daß ein
elektrischer Strom in einer geeigneten Weise in die
Wicklung 2 a-2 über die Kombination der Bürsten 18 und
des Kommutators 19 gesendet wird. Die Wicklung 2 a-2
wirkt mit dem Permanentmagneten 6 zusammen, wenn sie
durch den zugeführten elektrischen Strom erregt wird,
um ein elektromagnetisches Drehmoment, d. h. eine Ten
denz zu bewirken, durch die der Rotor 2 a in eine
Richtung gedreht wird, wie dies gefordert wird.
Die erste Welle 12, die in ihrem rechten Bereich
drehbar durch das Lager 13 gehalten wird, und vom
rechten Endbereich 1 C-2 des dritten Gehäusebereiches 1 C
nach außen vorsteht, weist an ihrem nach rechts vorste
henden Ende eine Kerbverzahnung 12 a auf, an die ein
externes Teil (nicht dargestellt) ankuppelbar ist. Im
linken Bereich der ersten Welle 12 ist ein radial
ausgedehnter zylindrischer Bereich 12 b ausgebildet, der
sich nach links öffnet. Das linke Ende des zylindri
schen Bereiches 12 b weist an jeder der durch Winkel
bzw. Phasendifferenzen von 90° voneinander beabstande
ten Winkelpositionen abwechselnd
einen Einschnitt 12 b-1 und an den restlichen Winkelpo
sitionen einen sich radial nach außen erstreckenden
Vorsprung 12 b-2 mit einer mittig geschnittenen Sektor
form auf, wobei der Vorsprung 12 b-2 an seiner hinteren
Seite einen Keil 12 b-3 aufweist.
Am rechten Ende der zweiten Welle 7 ist um diese herum
eine Scheibe einer ringförmigen ersten Kupplungsplatte
22 über ein Paar von Blech-Blattfedern 23 befestigt,
die eine mittig geschnittene Sektorform aufweisen,
wobei sich die Federn 23 von der Welle 7 aus symme
trisch zueinander in bezug auf die Achse der Welle 7
radial nach außen erstreckt. Jede der Blattfedern 23,
die in axialer Richtung nach rechts nachgiebig ist und
normalerweise die erste Kupplungsplatte 22 in Richtung
auf den Vorsprung 12 b-2 vorspannen kann, weist eine
große Steifigkeit bzw. Starrheit gegen tangential auf
sie ausgeübte Torsionskräfte zwischen der ersten Welle
12 und der zweiten Welle 7 auf.
Außerdem ist auf das rechte Ende der zweiten Welle 7
ein Nockenteil 24 fest aufgepaßt, das einen in Richtung
auf die erste Welle 12 axial vorstehenden Nockenbereich
an jeder Winkelposition bei einer Phasendifferenz von
90° relativ zu den Blattfedern 23 aufweist. In Fig. 1
ist dieser Nockenbereich an der unteren Seite der Welle
7 beansprucht dargestellt. An den Nockenteilen 24 sind
die Federn 23 befestigt. Wie dies in der Fig. 2
genauer dargestellt ist, weist der Nockenbereich an
seiner radial gesehenen Innenseite des Nockenteiles 24
einen Innenbereich 24 a einer im wesentlichen rechtwin
keligen Form und an seiner in radialer Richtung gesehe
nen Außenseite einen Außenbereich 24 b auf, der im
wesentlichen eine Keilform besitzt. Der rechtwinklige
Bereich 24 a greift in den Einschnitt 12 b-1 ein, der in
den linken zylindrischen Bereich 12 b der ersten Welle
12 eingeschnitten ist, wobei ein geeigneter Umfangs
spalt dazwischen besteht.
Die erste Welle 12 und die zweite Welle 7 sind koaxial
zueinander angeordnet und elastisch über einen Tor
sionsstab 21 miteinander verbunden. Wenn daher die
erste Welle 12, die wirksam mit einem Steuerrad (nicht
dargestellt) eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt)
verbindbar ist, wenn dieses mit der Servoeinheit 100
ausgerüstet ist, in einer Drehrichtung einem externen
Drehmoment unterworfen wird, überträgt der Torsionsstab
21 das Drehmoment auf die zweite Welle 7, so daß dort
eine relative Winkelverschiebung oder Phasendifferenz
zwischen den Wellen 7, 12 in Übereinstimmung mit einer
Last an der zweiten Welle 7 erzeugt wird. Wenn die
relative Winkelverschiebung bis zu einem vorbestimmten
Winkel bewirkt wird, wird der rechtwinklige Bereich 24 a
des Nockenteiles 24, das an der zweiten Welle 7 befe
stigt ist, zum Anschlag an einem Schulterteil des
Einschnittes 12 b-1 des zylindrischen Bereiches 12 b der
ersten Welle 12 gebracht. Wenn daher die erste Welle 12
sich weiter in der zuvor genannten einen Richtung
dreht, wird bewirkt, daß die zweite Welle 7 sich
integral bzw. zusammen mit der ersten Welle dreht. Mit
anderen Worten weist die Servoeinheit 100 einen Sicher
heitsmechanismus auf, der die Kombination des recht
winkligen Teiles 24 a des Nockenteiles 24 und des Ein
schnittes 12 b-1 der ersten Welle 12 umfaßt.
Das Untersetzungsgetriebe 3 umfaßt eine Reihe von zwei
Stufen eines Planetengetriebes. Eine erste Stufe be
steht aus einem ersten Sonnenzahnrad, das am rechten
Ende des mittigen zylindrischen Bereiches 12 a-3 des
Rotors 2 a ausgebildet ist, einem ersten Ringzahnrad 25,
das an dem Innenumfang des zweiten Gehäusebereiches 1 B
befestigt ist, und drei dazwischen angeordneten ersten
Planetenzahnräder 26, die in das Sonnenzahnrad 20 und
das Ringzahnrad 25 eingreifen. Die zweite Stufe besteht
aus einem zweiten Sonnenzahnrad 27, das integral in dem
mittleren Bereich eines ringförmigen Stützteiles 26 a
eingepaßt ist, das die ersten Planetenzahnräder 26
trägt, einem zweiten Ringzahnrad 28, das an dem Innen
umfang des zweiten Gehäusebereiches 1 B befestigt ist,
und drei dazwischen angeordneten zweiten Planetenzahn
rädern 29, die in das Sonnenzahnrad 27 und das Ring
zahnrad 28 eingreifen. Die zweiten Planetenzahnräder 29
werden von einem radial nach außen angeflanschten
Bereich 30 a eines rohrförmigen Teiles 30 gehalten bzw.
getragen, das drehbar durch ein Lager 14 gehalten wird,
das auf die zweite Welle 7 aufgepaßt ist. Das rohrför
mige Teil 30 weist an seinem rechten Ende eine zweite
Kupplungsplatte 31 auf, die an ihm befestigt ist. Die
Kupplungsplatte 31 liegt der ersten Kupplungsplatte 22
gegenüber, wobei dazwischen normalerweise ein vorbe
stimmter Raum verbleibt.
Die elektromagnetische Kupplung 4 umfaßt die erste
Kupplungsplatte 22 und die zweite Kupplungsplatte 31
und ein elektromagnetisches Solenoid 32, das ringförmig
ausgebildet und an der linken Seite in der Fig. 1 der
zweiten Kupplung 31 angeordnet und von dieser beabstan
det ist, um einen vorbestimmten Luftspalt dazwischen
herzustellen. Das Solenoid 32 ist am inneren Umfang des
zweiten Gehäusebereiches 1 B befestigt, während die
erste Kupplungsplatte 22 normalerweise durch die Feder
kraft der Blattfedern 23 so vorgespannt ist, daß sie in
einen Kontakt zu dem Sektorvorsprung 12 b-2 des ersten
zylindrischen Bereiches 12 b der ersten Welle 12 gezwun
gen wird. Wenn das Solenoid 32 erregt wird, wird die
erste Kupplungsplatte 22 dadurch gegen die Federkräfte
der Blattfedern 23 angezogen, so daß sie integral an
der zweiten Kupplungsplatte 31 angreift.
Der Mechanismus 5 zur Ermittlung des Drehmomentes
umfaßt einen Differentialtransformator 33, der an dem
Innenumfang des dritten Gehäusebereiches 1 C befestigt
ist, und ein mobiles Teil 34 mit einem Randbereich 34 a,
das in der axialen Richtung der Servoeinheit 100 rela
tiv zum Differentialtransformator 33 bewegbar ist.
Dieser Mechanismus 5 kann, wie dies unten erläutert
werden wird, die Größe des zwischen der ersten Welle 12
und der zweiten Welle 7 entwickelten Drehmomentes
dadurch ermitteln, daß er dieses in eine axiale Ver
schiebung des beweglichen Teiles 34 umwandelt.
Das bewegliche Teil 34, das axial gleitbar auf der
ersten Welle 12 aufgepaßt ist, ist normalerweise nach
links (Fig. 1) durch eine Schraubenfeder 35 vorge
spannt. Der linke Teil des mobilen Teiles 34, der so
geformt ist, daß er sich radial nach außen erweitert,
weist an jeder entsprechenden Winkelposition eine
keilförmige Nockennut 34 b auf, die in die linke Kante
eingeschnitten ist, und in die, wie dies in der Fig. 2
dargestellt ist, das keilähnliche Teil 24 b des Nocken
teiles 24 eingreift. Außerdem weist er an jeder der
Winkelpositionen, die winkelmäßiig durch eine Phasen
differenz von 90° in bezug auf die Nockennut 34 b
voneinander beabstandet sind, einen Keilschlitz 34 c
auf, in den der Keil 12 b-3 des zylindrischen Bereiches
12 b der ersten Welle 12 eingreift, wobei durch diesen
Keileingriff ermöglicht wird, daß das mobile Teil 34
nur in der axialen Richtung gleitet.
In der Fig. 2 sind das Nockenteil 24 und das bewegli
che Teil 34 so dargestellt, daß zwischen ihnen klar
ersichtlich eine unten definierte Position besteht,
während die anderen zugeordneten Teile weggelassen
sind. In der Servoeinheit 100 wird nämlich vorausge
setzt, daß dann, wenn die Teile 24, 34 relativ zuein
ander die in der Fig. 2 dargestellte Position anneh
men, keine relative Winkelverschiebung oder Phasendif
ferenz zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten
Welle 7 entwickelt wird.
Wenn das äußere Drehmoment so angelegt wird, daß es die
erste Welle 12 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, wie
dies aus der rechten Seite der Fig. 1 und 2 hervor
geht, wird die erste Kupplungsplatte 22 sofort von dem
Sektorvorsprung 12 b-2 ausgerückt. Aus diesem Grunde
wird das an die erste Welle 12 angelegte Drehmoment
über den Torsionsstab 21 zur zweiten Welle 7 übertra
gen, so daß diese Welle 7 entgegen dem Uhrzeigersinn in
Übereinstimmung mit einer an ihr anliegenden Last
gedreht wird, wobei relativ zur Drehung der Welle 12
entgegen dem Uhrzeigersinn eine Verzögerung besteht.
Demgemäß wird das Nockenteil 24, das an der zweiten
Welle 7 befestigt ist, im Uhrzeigersinn entsprechend
relativ zum beweglichen Teil 34 gedreht, das gleitbar
auf die erste Welle 12 aufgepaßt ist und nur in die
axiale Richtung in bezug auf die Welle 12 bewegbar
ist. Mit anderen Worten wird bewirkt, daß das Teil 24
sich relativ zu diesem Teil 34 in der Richtung X 1 in
der Fig. 2 dreht. Gleichzeitig wird infolge des koni
schen bzw. verjüngten Eingriffes zwischen dem keilähn
lichen Teil 24 b des Nockenteiles 24 und der keilförmi
gen Nockennut 34 b des beweglichen Teiles 34 bewirkt,
daß das Teil 34 nach rechts, d. h. in der Richtung Y 1 in
Fig. 2, gegen die Schraubenfeder 35 gleitet. In der
Fig. 2 ist durch ein Bezugszeichen Z die axiale
Position des rechten Endes des Randbereiches 34 a des
beweglichen Teiles 34 dargestellt, wenn keine relative
Winkelverschiebung zwischen der ersten Welle 12 und der
zweiten Welle 7 entwickelt wird.
In dem Fall, in dem ein äußeres Drehmoment an die erste
Welle 12 angelegt wird, das versucht, eine Drehung im
Uhrzeigersinn zu bewirken, werden die oben beschriebe
nen Drehrichtungen umgekehrt, so daß das Nockenteil 24
sich entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zum beweglichen
Teil 34, d. h. in der Richtung X 2 in Fig. 2 dreht, und
daß das Teil 34, das durch die Schraubenfeder 35 nach
links, d. h. in der Richtung Y 2 in Fig. 2, bewegt wird,
in diese Richtung gleiten kann.
Auf der Grundlage dieser axialen Bewegungen des beweg
lichen Teiles 34 werden sowohl die Größe als auch die
Drehrichtung des zwischen der ersten Welle 12 und der
zweiten Welle 7 entwickelten Drehmomentes mit dem
Mechanismus 5 zur Ermittlung des Drehmomentes ange
zeigt, der die notwendigen elektrischen Kreise zur
Ermittlung des Drehmomentes, die den Differentialtrans
formator 33 enthalten, aufweist.
Gemäß Fig. 3, die eine schematische Darstellung des
Steuerkreises der Servoeinheit 100 zeigt, wird entspre
chend dem zwischen den Wellen 7, 12 entwickelten Dreh
moment, dessen Größe und Drehrichtung durch den
Mechanismus 5 zur Ermittlung des Drehmomentes, der als
Drehmomentdetektor dient und den Differentialtransfor
mator 33 enthält, ermittelt werden, ein Ermittlungssi
gnal ausgegeben, um einen Schalter 38 einzuschalten,
der in einer elektrischen Leitung von einer Spannungs
quelle 37 zu einem Anschluß a angeordnet ist, der zur
Ankerwicklung 2 a-2 des Elektromotors 2 führt. Der
Anschluß a bewirkt einen Nebenschluß bzw. Shunt zwi
schen einer Leitung zum Solenoid 32 der elektromagne
tischen Kupplung 4 und leitet auf diese Weise einen
elektrischen Strom dorthin. Der Motor 2 entwickelt
demgemäß ein elektromagnetisches Drehmoment, mit dem
der Rotor 2 a in der Drehrichtung des externen Drehmo
mentes gedreht wird, das auf die erste Eingangswelle 12
wirkt. Gleichzeitig wird das Solenoid 32 der Kupplung 4
erregt, das einem Zustand unterliegt, der später noch
beschrieben werden wird, um die erste Kupplungsplatte
22 an der zweiten Kupplungsplatte 31 integral einzu
rücken, so daß das elektromagnetische Drehmoment des
Motors 2 zusätzlich über das Untersetzungsgetriebe 3
und die Kupplung 4 an die zweite Welle 7 angelegt wird.
Als Ergebnis wird, wenn das externe Drehmoment auf die
erste Welle 12 einwirkt, entsprechend den vorbestimmten
Zuständen eine Hilfsleistung in der Form des zusätzli
chen elektromagnetischen Drehmomentes gegeben, wie es
vom elektrischen Motor 2 entwickelt und von diesem zur
zweiten Welle 7 übertragen wird, auf die daher ein
verstärktes Drehmoment einwirkt.
Bei dem zuvor beschriebenen Servosystem erfolgt die
Betätigung der elektromagnetischen Kupplung 4 oder das
Senden eines elektrischen Stromes zum Solenoid 32 unter
einer besonderen Bedingung. Wie dies in der Fig. 3
dargestellt ist, ist in der Nebenschlußleitung zur
Kupplung 4 ein Ein-Aus-Schalter 40 angeordnet, der
durch ein Ausgangssignal von einem bekannten Geschwin
digkeitssensor 39 irgendeines Kraftfahrzeugtyps betä
tigbar ist, so daß er dann, wenn die Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeuges relativ groß ist, im eingeschalte
ten Zustand gehalten wird, und bei einer relativ nied
rigen Geschwindigkeit ausgeschaltet bleibt. Aus diesem
Grunde kann bei der Anwendung der Servoeinheit 100 im
Zusammenhang mit einem Leistungssteuersystem eines
Kraftfahrzeuges die Servoeinheit 100 dann, wenn das
Kraftfahrzeug in niedrigen Geschwindigkeiten fährt und
wenn sowohl der Elektromotor 2 als auch die elektroma
gnetische Kupplung 4 erregt sind, als ein Drehmoment
verstärker dienen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann sie
als eine direkte Kupplung verwendet werden, die die
erste Welle 12 mit der zweiten Welle 7 verbindet, ohne
daß eine Drehmomentverstärkung bewirkt wird. Dies
bedeutet, daß sie in diesem Fall als eine direkt
kuppelnde Vorrichtung angewendet werden kann, die
zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7
vorgesehen ist.
Die Funktion der elektromagnetischen Kupplung 4 wird
nachfolgend noch einmal mit anderen Worten beschrieben.
Während die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges relativ
klein ist, bewirkt das Solenoid 32 der Kupplung 4 zu
der Zeit, zu der eine Drehung der ersten Welle 12 bei
einer Einwirkung eines äußeren Drehmomentes auf diese
Welle eingeleitet wird, daß die erste Kupplungsplatte
22, die an der zweiten Welle 7 befestigt ist und zuvor
gelegentlich mit dem mittig geschnittenen Sektorvor
sprung 12 b-2 der ersten Welle 12 eingerückt wurde, an
der zweiten Kupplungsplatte 31 angreift. Das auf die
erste Welle 12 einwirkende äußere Drehmoment wird daher
auf die zweite Welle 7 übertragen, während es durch den
elektrischen Motor 2 verstärkt wird, so daß auf diese
Welle 7 ein größeres Drehmoment einwirkt, als das auf
die Welle 12 ausgeübte Drehmoment.
Andererseits bleibt das Solenoid 32 der Kupplung 4
entregt, wenn die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges
relativ groß ist, so daß die erste Kupplungsplatte 22
in einem Eingriffskontakt mit dem Sektorvorsprung 12 b-2
der ersten Welle 12 gehalten wird. Außerdem wirken,
weil die Blattfedern 23, die die erste Kupplungsplatte
22 tragen, in der Torsions- oder Tangentialrichtung
eine hohe Steifigkeit aufweisen, die wechselseitig
angreifenden Kontaktflächen der ersten Kupplung 22 und
des Vorsprunges 12 b-2, die einen sehr hohen Reibungs
koeffizienten aufweisen, zusammen, um einen Zustand
herzustellen, in dem die erste Welle 12 im wesentlichen
befestigt ist, so daß sie an die zweite Welle 7 ange
koppelt ist. Als Ergebnis wird das auf die erste Welle
12 einwirkende äußere Drehmoment direkt auf die zweite
Welle 7 übertragen.
Gemäß Fig. 3 kann der Schalter 38 praktisch sowohl die
Amperezahl als auch die Richtung des zur Ankerwicklung
2 a-2 des elektrischen Motores 2 zuzuführenden Stromes
in Übereinstimmung mit dem von dem Differentialtransfor
mator 33 des Drehmomentdetektors 5 abgeleiteten Ermitt
lungssignal steuern. Außerdem kann der Schalter 40, der
bisher die Ein-Aus-Steuerung der elektromagnetischen
Kupplung 4 in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal
vom Geschwindigkeitssensor des Kraftfahrzeuges bewirken
kann, vorzugsweise vor dem Nebenschlußanschluß a ange
ordnet werden, um die Ein-Aus-Steuerung sowohl für den
Motor 2 als auch die Kupplung 4 zu bewirken. In der
Fig. 4 ist ein beispielhaftes Blockschaltbild für eine
derartige Teilmodifikation dargestellt, in der der
Kreis der Fig. 3 in einer praktischeren Weise, insbe
dere in bezug auf die Verbindung des Schalters 38,
vorliegt. Gleiche Teile der Fig. 4 sind durch die
gleichen Bezugszeichen dargestellt.
In der Fig. 4 ist nun mit dem Bezugszeichen 38 ein
Schaltkreis bezeichnet. Der Schaltkreis 38 umfaßt drei
Umschalter 38 a, 38 b, 38 c, die alle zu einer Zeit in
derselben Umschaltrichtung mit jedem Solenoidbetäti
gungsglied eines Paares von Solenoidbetätigungsgliedern
(nicht dargestellt) betätigbar sind, die in Überein
stimmung mit der Ein-Aus-Wirkung eines Paares von
Relais (nicht dargestellt) erregt und entregt werden,
wobei die Relais durch das Ermittlungssignal vom Dreh
momentwandler 5 gesteuert werden. Außerdem umfaßt der
Schaltkreis 38 einen variablen Widerstand 38 d, dessen
Widerstand in Übereinstimmung mit dem Ermittlungssignal
des Drehmomentwandlers 5 variabel ist. Der Widerstand
38 d ist zwischen einen Umschalter 38 b der Umschalter
und die externe Spannungsquelle 37 geschaltet. Es ist
ein weiterer Schaltkreis 40 vorgesehen, der ein Paar
von Ein-Aus-Schaltern 40 a, 40 b aufweist, die beide
gleichzeitig ausschaltbar sind, wenn ein nicht darge
stelltes Solenoidbetätigungsglied erregt wird. Dieses
Betätigungsglied kann in Übereinstimmung mit einer Ein-
Aus-Wirkung eines nicht dargestellten Relais erregt und
entregt werden, wobei das Relais durch das Ausgangssi
gnal vom Geschwindigkeitssensor 39 des Kraftfahrzeuges
gesteuert wird. Ein Schalter 40 a der Ein-Aus-Schalter
des Schaltkreises 40 kann den Schaltkreis 38 mit dem
Solenoid 32 der elektromagnetischen Kupplung 4 verbin
den und der andere Schalter 40 b der Ein-Aus-Schalter
des Schaltkreises 40 kann die Verbindung vom Kreis 38
zu einer Bürste des Bürstenpaares 18, 18 des elektri
schen Motores 2 herstellen.
In der Fig. 4 sind die Schaltkreise 38, 40 in einem
Zustand der Servoeinheit 100 dargestellt, in dem kein
Drehmoment an die erste Welle 12 angelegt ist, während
die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ niedrig ist. In
diesem Zustand sind beide Ein-Aus-Schalter 40 a, 40 b
eingeschaltet, und die Umschalter 38 a, 38 b, 38 c befinden
sich alle in der neutralen Stellung.
Während die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ niedrig
gehalten wird, wenn ein äußeres Drehmoment einer be
stimmten Größe angewendet wird, um die erste Welle 12
in einer Drehrichtung zu drehen, wird gleichzeitig das
Ermittlungssignal des Drehmomentdetektors 5 dem Schalt
kreis 38 zugeführt, wo es bewirkt, daß alle Umschalter
38 a, 38 b, 38 c in eine Richtung in Übereinstimmung mit
der Drehrichtung des externen Drehmomentes umgeschaltet
werden, so daß sie eingeschaltet sind. Als Ergebnis
wird die elektromagnetische Kupplung erregt, und zur
selben Zeit wird an den Elektromotor 2 ein elektrischer
Strom einer vorbestimmten Amperezahl der erforderlichen
Richtung angelegt, weshalb die Servoeinheit 100 eine
Drehmomentverstärkung bewirken kann, wie dies zuvor
erwähnt wurde.
Außerdem können, während die Fahrzeuggeschwindigkeit
noch relativ niedrig gehalten wird, dann, wenn ein
externes Drehmoment einer bestimmten Größe angelegt
wird, um die erste Welle 12 in der entgegengesetzten
Drehrichtung zu drehen, die Umschalter 38 a, 38 b, 38 c
alle in die entgegengesetzte Richtung umgeschaltet
werden, so daß sie wieder eingeschaltet werden. Dadurch
entsteht an der zweiten Welle 7 ein resultierendes
Drehmoment einer vorbestimmten Größe, das auf die
zweite Welle 7 in der entgegengesetzten Drehrichtung in
bezug auf die Drehrichtung des früheren Falles wirkt.
Andererseits werden die Ein-Aus-Schalter 40 a, 40 b in
der oben beschriebenen Weise ausgeschaltet, wenn die
Fahrzeuggeschwindigkeit zu relativ hohen Werten ver
schoben wird, so daß der Motor 2 nicht gestartet wird
und die Kupplung 4 in einem ausgerückten Zustand unab
hängig von dem Kreiszustand des Schaltkreises 38 gehal
ten wird. In dem ausgerückten Zustand der Kupplung 4,
in dem die erste Kupplungsplatte 22 nicht den Sektor
vorsprung 12 b-2 der ersten Welle 12 berührend angreift,
wird das auf die erste Welle 12 einwirkende äußere
Drehmoment im wesentlichen direkt zur zweiten Welle 7
übertragen, wie dies bereits beschrieben wurde.
Beim voranstehenden Beispiel ist der Schaltkreis 40
hinter dem Schaltkreis 38 angeordnet, wie dies in der
Fig. 4 dargestellt ist. Im Hinblick auf den Leistungs
verbrauch kann bei einem weiteren abgeänderten Ausfüh
rungsbeispiel ein solcher Schaltkreis wie der Kreis 40
vorzugsweise an einem Punkt angeordnet sein, an dem das
Ermittlungssignal von dem Drehmomentdetektor 5, das im
wesentlichen direkt von diesem gesendet wird, ein-aus-
gesteuert werden kann, d. h., daß der Schaltkreis nicht
hinter dem Schaltkreis 38, sondern näher am Detektor 5
als der Kreis 38, beispielsweise an einem Punkt 5 a der
Fig. 4, angeordnet ist.
In beiden modifizierten Ausführungsbeispielen wird
jedoch, wenn keine relative Winkelverschiebung zwischen
der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 7 durch das
Ermittlungssignal vom Drehmomentdetektor 5, das zum
Schaltkreis 38 gesendet wird, dargestellt wird, keines
der nicht dargestellten paarweise vorgesehenen Solenoid
betätigungsglieder in diesem Kreis 38 zu seiner Betä
tigung erregt, so daß die Umschalter 38 a, 38 b, 38 c alle
in ihren neutralen Positionen gehalten werden. Ein
solcher Zustand ergibt sich auch, wenn das Ermittlungs
signal selbst von dem Drehmomentwandler 5 nicht vorliegt.
In der voranstehenden Ausführungsform wird die erste
Welle 12 außerdem als eine Eingangswelle und die zweite
Welle 7 als eine Ausgangswelle verwendet. In diesem
Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bei einer
anderen Ausführungsform vorteilhafterweise die erste
Welle 12 als eine Ausgangswelle und die zweite Welle 7
als eine Eingangswelle verwendet werden können.
Aus der voranstehenden Beschreibung ergibt sich, daß
erfindungsgemäß in der elektromagnetischen Servoeinheit
100, die die drehbare erste Welle 12, die drehbare
zweite Welle 7, den Torsionsstab 21, der zwischen den
Wellen 12 und 7 angeordnet ist, und den elektrischen
Motor 2 enthält, bei relativ niedrigen Geschwindigkei
ten des Kraftfahrzeuges der Motor 2 eine Ausgangslei
stung in der Form eines zusätzlichen Drehmomentes über
das Untersetzungsgetriebe 3 und die elektromagnetische
Kupplung 4 an die zweite Welle 7 anlegt und bei relativ
hohen Kraftfahrzeuggeschwindigkeiten die erste und die
zweite Welle 12, 7 im wesentlichen direkt durch einen
direktkuppelnden Mechanismus aneinander gekuppelt wer
den, der durch die Blattfedern 23, die erste Kupplungs
platte 22 und den Sektorvorsprung 12 b-2 gebildet wird.
Als Ergebnis wird dem Fahrer eines Kraftfahrzeuges im
Zustand einer hohen Geschwindigkeit sehr vorteilhafter
weise ein Steuergefühl vermittelt, das demjenigen in
einem Steuersystem vom manuellen Typ ohne Leistungsun
terstützung ähnelt.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß in
dem Fall, in dem ein Steuergefühl eines Steuersystems
vom manuellen Typ unter einer anderen Bedingung als der
oben angegebenen gewünscht wird, die Servoeinheit 100
so modifiziert werden kann, daß sie dies dementspre
chend unter Anwendung eines geeigneten Sensors und
einer Verarbeitungsvorrichtung ausführt.
Wenn es beispielsweise gewünscht wird, daß für den
Fahrer eines Kraftfahrzeuges ein Steuergefühl eines
manuellen Systems nur dann bewirkt wird, wenn das
Ladegewicht des Fahrzeuges kleiner als ein vorbe
stimmtes Gewicht ist, kann die Servoeinheit 100 durch
einen geeigneten Sensor, der das Ladegewicht ermitteln
kann, modifiziert werden. Bei einem derartigen Sensor
handelt es sich beispielsweise um einen Sensor zur
Ermittlung der Fahrzeughöhe oder um einen Sensor zur
Ermittlung des Luftdruckes im Reifen.
Insbesondere dann, wenn ein manuelles Steuergefühl
willkürlich für den Fahrer gewünscht wird, kann eine
vorzugsweise Ausführungsform angewendet werden, bei der
ein manuell betätigbarer Ein-Aus-Schalter am Punkt 5 a
der Fig. 4 angeordnet ist.
Außerdem weist die erfindungsgemäße elektromagnetische
Servoeinheit 100 jene Vorrichtungen auf, die an die
zweite Welle 7 ein zusätzliches Drehmoment anlegen
können. Diese Vorrichtungen enthalten den Elektromotor
2, das Untersetzungsgetriebe 3 und die elektromagneti
sche Kupplung 4. In diesem Zusammenhang wird darauf
hingewiesen, daß ein Vergleich mit dem zuvor erwähnten
elektromagnetischen Servosystem gemäß der US-PS 44 48 275
ergibt, daß die Servoeinheit 100 kompakter und ein
facher im Hinblick auf den Zusammenbau des Leistungs
steuersystems bzw. auf die Fließbandherstellung dieser
Systeme ist.
Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch
auf eine elektromagnetische Servoeinheit angewendet
werden kann, bei der ein elastisches Glied zwischen der
Eingangswelle und der Ausgangswelle vorgesehen ist,
wobei sich das elastische Glied von dem Torsionsstab 21
unterscheidet.
Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist darin
zu sehen, daß eine Servoeinheit für ein Kraftfahrzeug
eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle aufweist, die
direkt aneinander gekoppelt werden können, während das
Fahrzeug mit relativ hoher Geschwindigkeit fährt. In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die
Erfindung vorteilhafterweise auch im Zusammenhang mit
einem hydraulischen Servosystem angewendet werden kann.
Claims (8)
1. Elektrische Servoeinheit mit
einer ersten und zweiten Welle (12, 7),
einer Drehmomenterfassungseinrichtung (5) zum Erfassen eines auf die erste Welle (12) ausgeübten Drehmoments und Erzeugen eines von dem erfaßten Drehmoment abhängigen Ausgangssignals, wobei die Drehmomenterfassungseinrichtung (5) ein elastisches Glied zur elastischen Verbindung der ersten und zweiten Welle (12, 7) aufweist, und
einer elektrischen Kraftunterstützungseinrichtung zum Erzeugen eines dem Ausgangssignal aus der Drehmomenterfassungseinrichtung (5) entsprechenden unterstützenden Drehmomentes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Servoeinheit eine selektive Kupplungseinrichtung zum wahlweisen direkten Kuppeln der zweiten Welle (7) an die erste Welle (12) für eine direkte Drehmoment Übertragung zwischen diesen Wellen (12, 7) oder an die elektrische Kraftunterstützungseinrichtung für eine Übertragung eines unterstützenden Drehmomentes auf die zweite Welle (7) aufweist.
einer ersten und zweiten Welle (12, 7),
einer Drehmomenterfassungseinrichtung (5) zum Erfassen eines auf die erste Welle (12) ausgeübten Drehmoments und Erzeugen eines von dem erfaßten Drehmoment abhängigen Ausgangssignals, wobei die Drehmomenterfassungseinrichtung (5) ein elastisches Glied zur elastischen Verbindung der ersten und zweiten Welle (12, 7) aufweist, und
einer elektrischen Kraftunterstützungseinrichtung zum Erzeugen eines dem Ausgangssignal aus der Drehmomenterfassungseinrichtung (5) entsprechenden unterstützenden Drehmomentes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Servoeinheit eine selektive Kupplungseinrichtung zum wahlweisen direkten Kuppeln der zweiten Welle (7) an die erste Welle (12) für eine direkte Drehmoment Übertragung zwischen diesen Wellen (12, 7) oder an die elektrische Kraftunterstützungseinrichtung für eine Übertragung eines unterstützenden Drehmomentes auf die zweite Welle (7) aufweist.
2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die elektrische Kraftunterstützungs
einrichtung einen Elektromotor (2), eine Getriebeeinrich
tung (3) zur Übertragung des unterstützenden Drehmoments des
Elektromotors (2) auf die selektive Kupplungseinrichtung und
eine Motorsteuereinrichtung (38) zum Steuern des Elektro
motors (2) aufweist.
3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Gehäuse (1) vorgesehen ist, daß
die erste und zweite Welle (12, 7) drehbar in dem Gehäuse (1)
gelagert und koaxial zueinander angeordnet sind, daß das ela
stische Glied einen koaxial zur zweiten Welle (7) angeordne
ten, mit einem Ende mit der ersten Welle (12) und mit einem
anderen Ende mit der zweiten Welle (7) verbundenen Torsions
stab (21) aufweist, und daß der Elektromotor (2) einen in dem
Gehäuse angeordneten und daran befestigten Feldmagneten (6)
und einen mit dem Feldmagneten (6) zusammenwirkenden Rotor
(2 a) aufweist, der eine drehbar an der zweiten Welle (7)
gelagerte und koaxial dazu angeordnete dritte Welle (2 a-3)
und eine an der dritten Welle (2 a-3) befestigte Ankerwick
lung (2 a-2) aufweist.
4. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die selek
tive Kupplungseinrichtung eine elektromagnetische Kupplung
(4) und eine Kupplungssteuereinrichtung (40) zum Steuern der
elektromagnetischen Kupplung (4) aufweist.
5. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die elektromagnetische Kupplung (4) eine erste Kupplungsplatte (22), die mit der zweiten Welle (7) durch mehrere Blattfedern (23) axial bewegbar verbunden ist, die um die zweite Welle (7) herum radial angeordnet sind und in bezug auf die auf die zweite Welle (7) wirkenden Torsionskräfte eine hohe Festigkeit aufweisen, und eine zweite Kupplungsplatte (31) aufweist, die drehbar auf der zweiten Welle (7) gelagert, daran axial fixiert und an triebsmäßig mit der Getriebeeinrichtung (3) der elektri schen Kraftunterstützungseinrichtung verbunden ist, wobei die zweite Kupplungsplatte (31) gegenüber der ersten Kupplungs platte (22) angeordnet ist,
daß ein der zweiten Kupplungsplatte (31) gegenüberliegender Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) derart von der zweiten Kupplungsplatte (31) beabstandet ist, daß die erste Kupplungsplatte (22) in den axialen Richtungen der ersten Welle (12) zwischen einer Eingriffsposition, in der die erste Kupplungsplatte (22) in Eingriff mit dem Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) steht, und einer Eingriffsposition, in der die erste Kupplungsplatte (22) in Eingriff mit der zweiten Kupplungsplatte (31) steht, bewegbar ist, wobei die erste Kupplungsplatte (22) durch die mehreren Blattfedern (23) normalerweise in Eingriff mit dem Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) gehalten ist, und
daß ein Solenoid (32) zum wahlweisen Bewegen der ersten Kupp lungsplatte (22) in den axialen Richtungen der ersten Welle (12) bewegbar ist.
daß die elektromagnetische Kupplung (4) eine erste Kupplungsplatte (22), die mit der zweiten Welle (7) durch mehrere Blattfedern (23) axial bewegbar verbunden ist, die um die zweite Welle (7) herum radial angeordnet sind und in bezug auf die auf die zweite Welle (7) wirkenden Torsionskräfte eine hohe Festigkeit aufweisen, und eine zweite Kupplungsplatte (31) aufweist, die drehbar auf der zweiten Welle (7) gelagert, daran axial fixiert und an triebsmäßig mit der Getriebeeinrichtung (3) der elektri schen Kraftunterstützungseinrichtung verbunden ist, wobei die zweite Kupplungsplatte (31) gegenüber der ersten Kupplungs platte (22) angeordnet ist,
daß ein der zweiten Kupplungsplatte (31) gegenüberliegender Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) derart von der zweiten Kupplungsplatte (31) beabstandet ist, daß die erste Kupplungsplatte (22) in den axialen Richtungen der ersten Welle (12) zwischen einer Eingriffsposition, in der die erste Kupplungsplatte (22) in Eingriff mit dem Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) steht, und einer Eingriffsposition, in der die erste Kupplungsplatte (22) in Eingriff mit der zweiten Kupplungsplatte (31) steht, bewegbar ist, wobei die erste Kupplungsplatte (22) durch die mehreren Blattfedern (23) normalerweise in Eingriff mit dem Endabschnitt (12 b-2) der ersten Welle (12) gehalten ist, und
daß ein Solenoid (32) zum wahlweisen Bewegen der ersten Kupp lungsplatte (22) in den axialen Richtungen der ersten Welle (12) bewegbar ist.
6. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kupplungssteuereinrichtung (40) eine
Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (39) zum Erfassen der
Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Erzeugen eines davon ab
hängigen Ausgangssignals und eine Betätigungseinrichtung (Solenoid 32)
zum Betätigen der elektromagnetischen Kupplung (4) in Abhän
gigkeit von dem Ausgangssignal der Geschwindigkeitserfassungs
einrichtung (39) aufweist.
7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß durch die Betätigungseinrichtung (Solenoid 32)
die elektromagnetische Kupplung (4) derart betätigbar ist,
daß sie die erste Welle (12) und die zweite Welle (7) direkt
miteinander verbindet, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
einen vorbestimmten Wert überschreitet und sie die zweite
Welle (7) und die elektrische Kraftunterstützungseinrichtung
miteinander verbindet, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
den bestimmten Wert nicht überschreitet.
8. Servolenksystem für ein Fahrzeug mit einem Lenkrad und
wenigstens einem lenkbaren Straßenrad, gekennzeichnet
durch eine elektrische Servoeinheit
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste
Welle (12) operativ mit dem Lenkrad und die zweite Welle (7)
operativ mit dem wenigstens einen lenkbaren Straßenrad ver
bunden ist.
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