DE3534334C2 - - Google Patents
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- DE3534334C2 DE3534334C2 DE3534334A DE3534334A DE3534334C2 DE 3534334 C2 DE3534334 C2 DE 3534334C2 DE 3534334 A DE3534334 A DE 3534334A DE 3534334 A DE3534334 A DE 3534334A DE 3534334 C2 DE3534334 C2 DE 3534334C2
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- 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
- B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkvorrichtung
für ein ein zu lenkendes Bodenrad aufweisendes
Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Servolenkvorrichtung ist aus der DE-OS 22 37 166
bekannt.
Aufgrund der Probleme bei hydraulischen Servolenkvorrichtungen
für Fahrzeuge, wobei es sich beispielsweise um einen
komplizierten Aufbau handelt, ist seit Jahren bereits eine
Vielzahl von elektrischen Servolenkvorrichtungen für Fahrzeuge
vorgeschlagen worden.
Derartige elektrische Servolenkvorrichtungen besitzen eine
mit einem Lenkrad verbundene Eingangswelle, eine mit der
Eingangswelle und - über einen Steuergetriebemechanismus
gewünschten Typs - mit einer Spurstange eines zu lenkenden
Straßenrades verbundene Ausgangswelle, einen Elektromotor
zur Versorgung der Ausgangswelle mit einem Hilfsdrehmoment,
einen Drehmomentdetektor zur Erfassung der Größe und der
Richtung des auf die Eingangswelle wirkenden Lenkdrehmomentes,
sowie eine Regeltreiberschaltung zur Speisung des
Elektromotors mit einem Läuferstrom derartiger Größe und
derartiger Richtung, wie dies als Funktion eines Detektorsignals
vom Drehmomentdetektor gefordert wird.
In einer derartigen elektrischen Servolenkvorrichtung wird
die Ausgangswelle beim Betätigen des Lenkrades zur Lenkung
mit einem geeigneten Hilfsdrehmoment versorgt, wodurch der
Lenkvorgang erleichtert wird.
In einem Fahrzeug mit einem zu lenkenden Bodenrad im vorderen
Teil wird dieses Bodenrad durch Betätigung eines Lenkrades
aus einer neutralen Stellung in eine von zwei Richtungen
gedreht, wenn die Fahrtrichtung des geradeaus fahrenden
Fahrzeugs geändert wird, wodurch das Fahrzeug in eine Kurvenfahrt
eintritt.
In einer derartigen Kurvenfahrt wirkt auf das Vorderrad als
Funktion von dessen Ausrichtung sowie als Funktion eines
selbstausrichtenden Drehmomentes aufgrund von Deformationen
eines Reifens ein Richtmoment auf das Vorderrad, das dies in
die neutrale Stellung zurückzuführen sucht.
Im Falle einer normalen Lenkvorrichtung ohne Hilfsdrehmoment
ergibt sich eine Bewegung des Vorderrades aufgrund des
Richtmomentes, wodurch dies letztendlich wieder in die
neutrale Stellung zurückgeführt wird, wenn die Stärke der
durch den Fahrer auf das Lenkrad zur Einwirkung gebrachten
Lenkkräfte in der Kurvenfahrt graduell auf Null gebracht
wird. Unmittelbar dann, wenn das Vorderrad in die neutrale
Stellung ausgerichtet ist, beginnt das Fahrzeug wieder
geradeaus zu fahren.
Ein derartiger Übergang im Fahrzustand ist bei mit einer
normalen Lenkvorrichtung ausgerüsteten Fahrzeugen beim
Fahren in scharfen Kurven zu beobachten.
Andererseits kann sich auch das im folgenden zu beschreibende
Problem ergeben, wenn eine Rückkehr aus einer Kurvenfahrt
in eine Geradeausfahrt stattfindet.
Im folgenden wird nun ein beispielhafter Fall beschrieben,
in dem das Fahrzeug aus einer Rechtskurvenfahrt in eine
Geradeausfahrt zurückkehrt.
In der Rechtskurvenfahrt des Fahrzeuges werden auf das
Lenkrad durch den Fahrer Lenkkräfte ausgeübt, die eine
Drehung im Uhrzeigersinn zu erzeugen suchen. Wird dann
die Stärke der Lenkkräfte durch graduelles Loslassen oder
durch nur leichtes Festhalten des Lenkrades in relativ
kurzer Zeit im wesentlichen auf Null reduziert, so sucht das
nach rechts gedrehte Vorderrad aufgrund des auf dieses wirkenden
Richtmomentes in relativ kurzer Zeit in die neutrale Stellung
zurückzukehren, wobei eine Tendenz besteht, es - von
oben, d. h. von der Seite des Fahrers gesehen - nach links
bzw. im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Gleichzeitig wird
jedoch eine schnelle Drehung im Gegenuhrzeigersinn der
Ausgangswelle der Servolenkvorrichtung bewirkt, auf die das
Richtmoment in Form eines im Gegenuhrzeigersinn wirkenden
Drehmomentes übertragen wird. Eine derartige Drehung im
Gegenuhrzeigersinn der Ausgangswelle entspricht eine Drehung
im Uhrzeigersinn der Eingangswelle relativ zur Ausgangswelle,
so daß der Drehmomentdetektor ein falsches, im Uhrzeigersinn
auf die Eingangswelle wirkendes Lenkdrehmoment
erfaßt. Auf die Ausgangswelle wird daher vom Elektromotor
ein im Uhrzeigersinn wirkendes Hilfsdrehmoment bestimmter
Größe zur Einwirkung gebracht, so daß das Vorderrad geringfügig
nach rechts gedreht wird, was zu einer Verzögerung
der Rückführungswirkung in die neutrale Stellung sowohl des
Vorderrades als auch des Lenkrades führt.
Ein derartiges Problem ergibt sich aufgrund des Aufbaus von
elektrischen Servolenkvorrichtungen, in denen sowohl das
Drehmoment-Richtungssignal als auch das Drehmoment-Größensignal
als Funktion des Detektorsignals von einem Drehmomentdetektor
erzeugt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine elektrische Servolenkvorrichtung der in Rede stehenden
Art anzugeben, das bei der Rückkehr des Fahrzeugs aus einer
Kurvenfahrt in eine Geradeausfahrt ein glattes und schnelles
Rückführen sowohl des Bodenrades bzw. Vorderrades sowie des
Lenkrades in die neutrale Stellung möglich macht, selbst
wenn die auf das Lenkrad wirkenden Lenkkräfte in relativ
kurzer Zeit durch Loslassen oder Freigeben des Lenkrades auf
Null reduziert werden.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Servolenkvorrichtung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1
gelöst.
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von
Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen
Servolenkvorrichtung für Fahrzeuge gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines
Drehmoment-Richtungsdetektors in der Servolenkvorrichtung
nach Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht im Längsschnitt
einer Steuerwelle des Drehmoment-Richtungsdetektors
nach Fig. 2;
Fig. 4A einen Schnitt eines wesentlichen Teils des Drehmoment-
Richtungsdetektors in einer Ebene 4 A-4 A
in Fig. 3;
Fig. 4B und 4C eine ebene Ansicht bzw. eine Seitenansicht
eines rohrförmigen Drehmoment-Richtungsdetektorelementes
im Detektor nach Fig. 4A;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht im Längsschnitt der
Lenkwelle eines Drehmoment-Größendetektors in
der Servolenkvorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Regeltreiberschaltung
in der Servolenkvorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 7A-1 bis 7A-4 sowie Fig. 7B-1 bis 7B-3 jeweils eine
graphische Darstellung der Ausgangskennlinien
verschiedener Schaltungen der Regeltreiberschaltung
nach Fig. 6; und
Fig. 8 ein Schaltbild einer Elektromotor-Treiberschaltung
in der Regeltreiberschaltung nach Fig. 6.
In Fig. 1 ist mit 100 die Gesamtheit einer elektrischen
Servolenkvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung für ein Fahrzeug mit einem Paar
von zu lenkenden Bodenrädern in Form eines linken und
eines rechten Vorderrades dargestellt.
Die Servolenkvorrichtung 100 enthält eine Lenksäule 111,
die ihrerseits eine mit einem Steuerrad 8 an ihrem oberen
Ende verbundene erste Welle 1, eine über einen im folgenden
noch zu beschreibenden Torsionsstab mit dem unteren Ende
der ersten Welle 1 verbundene zweite Welle 2 sowie eine
über einen noch zu beschreibenden weiteren Torsionsstab
mit der zweiten Welle 2 verbundene dritte Welle 3 aufweist.
Zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 ist
ein Richtungsdetektor 4 zur Erfassung der Richtung des
auf die Lenksäule 101 wirkenden Lenkdrehmomentes vorgesehen,
während zwischen der zweiten Welle 2 und der dritten
Welle 3 ein Größendetektor 9 zur Erfassung der Größe des
Lenkdrehmoments vorgesehen ist.
Auf einem mittleren Teil der zweiten Welle 2 ist ein Getriebe
7 großen Durchmessers vorgesehen, das in ein Getriebe
6 kleinen Durchmessers eingreift, das seinerseits auf
einer rotierenden Ausgangswelle 5 a eines Elektromotors
5 befestigt ist. Die Ansteuerung dieses Motors wird im
folgenden noch genauer beschrieben. Wird der Motor 5 zur
Einleitung einer Drehung erregt, so wird das durch ihn
elektromagnetisch erzeugte Drehmoment bei Reduzierung
der Drehgeschwindigkeit als Hilfsenergie über die Getrieberäder
6 und 7 auf die zweite Welle 2 übertragen, d. h.,
der Lenksäule 101 wird ein entsprechendes Hilfsdrehmoment
zugeführt.
Die dritte Welle 3 ist weiterhin mittels einer Gelenkwelle
10 mit einer Zwischenwelle 11 verbunden, die ihrerseits
über eine weitere Gelenkwelle 12 mit einem (nicht dargestellten
Antriebsritzel eines Lenkgetriebes 13 in Form
eines Zahnstangengetriebes verbunden ist. Vom Lenkgetriebe
13 gehen nach links und rechts Zahnstangenenden 13 a
und 13 b ab, die über eine Spurstange mit einem Paar von
nicht dargestellten für das linke bzw. rechte Vorderrad
vorgesehenen Gelenkarmen verbunden sind.
Gemäß Fig. 1 nimmt ein Regelschaltungsgehäuse 14 eine im
folgenden noch zu beschreibende Regeltreiberschaltung 50
auf, welche mit Detektorsignalen Sdr, Sdl und VR, VL vom
Richtungsdetektor 4 und vom Größendetektor 9 gespeist wird.
Die genannten Signale werden als Funktion des auf die
Lenksäule 101 wirkenden Lenkdrehmoments erzeugt. Diese
Detektorsignale Sdr, Sdl und VR, VL werden in der Regelschaltung
in im folgenden noch zu beschreibender Weise derart
verarbeitet, daß ein Läuferstrom I₀ als Regeltreibersignal
in den Elektromotor 5 eingespeist wird.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des
Drehmoment-Richtungsdetektors 4 einschließlich des die
erste und zweite Welle 1, 2 miteinander verbindenden Torsionsstabes,
der mit 15 bezeichnet ist. Fig. 3 zeigt einen
Längsschnitt eines wesentlichen Teils des Detektors 4,
wonach die drehbar in entsprechenden Fahrzeugseiten gelagerten
Wellen 1 und 2 zu ihrer Kopplung derart ausgebildet
sind, daß die erste Welle 1 in ihrem unteren Ende ein
axial ausgerichtetes Endteil besitzt, das über ein Nadellager
16 in einer axialen Öffnung in der gegenüberliegenden
Endfläche der zweiten Welle 2 eingepaßt ist, wobei der Umfang
dieser Öffnung ein Paar von radialen Einschnitten
2 a, 2 a aufweist, in die ein Paar von radial nach außen abgestuften
Armen 1 a, 1 a des unteren Endes der ersten Welle
1 eingreifen. Auf diese wechselseitig aneinander angepaßten
Teile der ersten und zweiten Welle 1, 2 ist ein axial verschiebbares
rohrförmiges Element 17 aus elektrischem, nichtleitendem
Material aufgepaßt. Dieses rohrförmige Element 17
besitzt ein Paar von Sätzen langgestreckter Löcher 17 a,
17 b, die derart radial in das Element geschnitten sind,
daß sie in bezug auf die Achse der Lenksäule 101 symmetrisch
sind, wie dies die Fig. 4A bis 4C zeigen. Der eine Satz von
langgestreckten Löchern 17 a ist auf der linken und rechten
Seite der Lenksäule 101 vorgesehen und relativ zur Achse
geneigt, während der andere Satz von langgestreckten Löchern
17 b auf der Ober- und Unterseite der Lenksäule 101
parallel zu deren Achse vorgesehen ist. In die geneigten
Löcher 17 a ist jeweils ein an der ersten Welle befestigtes
Paar von Radialstiften 18, 18 eingesetzt, während in die
parallelen Löcher 17 b jeweils ein Paar von an der zweiten
Welle 2 befestigten Radialstiften 19, 19 eingesetzt ist.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ausführung wird ein
Lenkdrehmoment über den Torsionsstab 15 auf die zweite
Welle übertragen, wenn die erste Welle 1 vom Lenkrad 8
im Sinne einer Drehung im Uhrzeigersinn A bzw. im Gegenuhrzeigersinn
B in Fig. 1 mit einem Lenkdrehmoment beaufschlagt
wird. Aufgrund der von der Seite des Lenkgetriebes
13 auf die zweite Welle 2 wirkenden Last wird jedoch
gleichzeitig eine Phasendifferenz bzw. eine relative Winkelverschiebung
zwischen der ersten und zweiten Welle 1, 2
hervorgerufen, wodurch das über die Radialstifte 18, 19 mit
den langgestreckten Löchern 17 a, 17 b in Eingriff stehende
rohrförmige Element 17 in Axialrichtung der Lenksäule
101 bewegt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird das
rohrförmige Element 17 in einer Richtung C oder D in Fig. 2
axial bewegt, wenn die erste Welle 1 relativ zur zweiten
Welle 2 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht
wird, wobei eine relative Winkelverschiebung zwischen
diesen beiden Wellen erzeugt wird.
Unter der Bedingung, daß auf die erste Welle 1 kein Lenkdrehmoment
einwirkt, wird das rohrförmige Element 17 in
seiner ursprünglichen Stellung, d. h., in einer vorgegebenen
axialen Stellung auf der Lenksäule 101 gehalten, wobei
sich die Radialstifte 18, 19 in den mittleren Längsbereichen
der langgestreckten Löcher 17 a, 17 b des Elementes 17 befinden.
An den beiden axialen Enden des rohrförmigen Elementes 17
ist ein Paar von Grenzschaltern 20, 21 mit einem Paar von
Schalterbetätigungselementen 20 a, 21 a vorgesehen, die als
Funktion der axialen Bewegungen des Elementes 17 derartig
betätigt werden, daß der Schalter 20 oder 21 geschlossen
wird, wenn das in der Richtung C oder D bewegte Element 17
eine Grenze in Axialrichtung überschreitet. Auf diese Weise
wird das auf die erste Welle 1 wirkende Lenkdrehmoment
hinsichtlich seiner Richtung erfaßt.
Die vorgenannten Detektorsignale Sdr, Sdl welcher beim
Schließen der Schalter 20, 21 entstehen, werden in die
Regeltreiberschaltung 50 eingespeist. Von den Detektorsignalen
Sdr, Sdl ist das Signal Sdr als Ausgangssignal des
Schalters 20 ein Maß für die Erfassung des Drehmomentes
im Uhrzeigersinn und besitzt einen Signalzustand von abwechselnd
"ein" oder "aus", wobei es den Signalzustand
"ein" annimmt, wenn die erste Welle 1 in bezug auf die
zweite Welle 2 eine Winkelverschiebung besitzt, die größer
als eine vorgegebene Phasendifferenz bei im Uhrzeigersinn
auf das Lenkrad 8 einwirkendem Lenkdrehmoment ist, wodurch
das rohrförmige Element 17 über die axiale Grenze in
der Richtung C hinausbewegt wird. Im anderen Falle bleibt
das Signal Sdr im Signalzustand "aus". Entsprechend ist
das andere Signal Sdl als Ausgangssignal des Schalters 21
ein Maß für die Erfassung des Drehmomentes im Gegenuhrzeigersinn
mit Signalzuständen abwechselnd "ein" oder "aus", so
daß es im Gegensatz zu dem vorgenannten Signal Sdr den Signalzustand
"ein" einnimmt, wenn das rohrförmige Element 17
über die axiale Grenze in der Richtung D hinausbewegt wird.
Im anderen Falle behält dieses Signal Sdl den Signalzustand
aus.
Im folgenden wird nun der zwischen der ersten und der
zweiten Welle 2, 3 vorgesehene Drehmoment-Größendetektor
9 in Verbindung mit dem in Fig. 5 dargestellten Längsschnitt
betrieben.
Die zweite Welle 2 und die dritte Welle 3 sind durch den
oben genannten Torsionsstab 30 koaxial miteinander verbunden,
wobei sie zu ihrer Kopplung in eine der Einrichtung
nach den Fig. 4A bis 4C zur Kopplung der ersten und zweiten
Welle 1, 2 entsprechende Einrichtung eingepaßt sind.
Über die wechselseitig aneinander angepaßten Teile der zweiten
und dritten Welle 2 und 3 ist ein axial gleitendes
rohrförmiges Element 33 entsprechend dem vorgenannten rohrförmigen
Element 17 geschoben, das an beiden Querseiten ein
Paar von geneigten langgestreckten Löchern 33 a besitzt, in
die ein Paar von auf der zweiten Welle 2 befestigten Radialstiften
31 eingreift. An der Ober- und Unterseite des Elementes
33 ist ein Paar von parallelen langgestreckten Löchern
vorgesehen, in die ein Paar von an der dritten Welle 3 befestigten
Radialstiften eingreift.
Aufgrund der vorstehend erläuterten Ausbildung wird das
rohrförmige Element 33 des Drehmoment-Größendetektors 9
ebenso wie das rohrförmige Element 17 im Drehmoment-Richtungsdetektor
4 axial in einer Richtung C′ in Fig. 5 in
eine Stellung in einem Abstand von seiner ursprünglichen
Stellung entsprechend der relativen Winkelverschiebung
verschoben, wenn die zweite Welle 2 relativ zur dritten
Welle 3 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wodurch eine Phasendifferenz
bzw. eine relative Winkelverschiebung zwischen
diesen Wellen erzeugt wird. Wird die Welle 2 im
Gegenuhrzeigersinn gedreht, so wird das rohrförmige Element
33 in einer Richtung D′ in Fig. 5 bewegt.
Unter der Bedingung, daß vom Lenkrad 8 kein Lenkdrehmoment
auf die zweite Welle 2 zur Einwirkung gebracht wird,
wird das rohrförmige Element 33 in seiner ursprünglichen
Stellung, d. h., in einer vorgegebenen Axialstellung auf
der Lenksäule 101 gehalten.
Im Gegensatz zum rohrförmigen Element 17, das ein isolierendes
Element ist, ist das rohrförmige Element 33 aus
magnetischem Material hergestellt.
Um das rohrförmige Element 33 ist ein Differenztransformator
40 zylindrischer Gestalt angeordnet, der an einem
(nicht dargestellten) Chassis des Fahrzeugs befestigt
ist. Der Differenztransformator 40 besitzt eine einzige
Primärwicklung 40 a sowie ein Paar von Sekundärwicklungen
40 b, 40 c. Die Primärwicklung 40 a erhält ein Wechselstromsignal
Sac von der Regeltreiberschaltung 50, genauer von
einem Oszillator 51 über eine Primärwicklungs-Treiberstufe
52 (siehe Fig. 6). Die Sekundärwicklungen 40 b und 40 c
geben die vorgenannten Detektorsignale VR, VL zur Einspeisung
in die Regeltreiberschaltung 50, spezieller in
ein Paar von Gleichrichtern 53 a, 53 b (siehe Fig. 6) ab.
Wirkt in der beschriebenen Vorrichtung kein Drehmoment auf
die zweite Welle, so wird zwischen der zweiten und dritten
Welle 2, 3 auch keine Phasendifferenz erzeugt, wobei das
rohrförmige Element 33 in der zentralen Axialstellung des
Differenztransformators 40 gehalten wird.
Anhand von Fig. 6 wird im folgenden die Regeltreiberschaltung
50 zur Erzeugung des Läuferstroms I₀ des Elektromotors
5 als Funktion der entsprechenden Detektorsignale Sdr,
Sdl und VR, VL vom Drehmoment-Richtungsdetektor 4 bzw. vom
Drehmoment-Größendetektor 9 beschrieben.
Die Regelschaltung 50 enthält, wie bereits erwähnt, den
mit der Wicklungstreiberschaltung 52 zusammenarbeitenden
Oszillator 51 zur Einspeisung des Wechselstromsignals Sac
in die Primärwicklung 40 a des Differenztransformators 40.
Bei erregter Wicklung 40 a werden die Sekundärwicklungen
40 b, 40 c des Transformators 40 ebenfalls erregt und geben
die Detektorsignale VR, VL als Paar von Wechselstromsignalen
einer vorgegebenen Frequenz ab. Die Ausgangssignale VR, VL
werden auf gleicher Amplitude eingestellt, wenn das magnetische
rohrförmige Element 33 in der ursprünglichen Stellung
steht. Wird dieses Element 33 in die Richtung C′ oder D′ bewegt,
so besitzen die Ausgangssignale VR, VL von den Sekundärwicklungen
40 b, 40 c an der Seite, an der das Element
33 näher kommt, eine zunehmende Amplitude und an der anderen
Seite, an der es sich weg bewegt, eine abnehmende Amplitude.
In den Fig. 7A-1 bis 7A-4 sowie 7B-1 bis 7B-3 ist auf der
Abszisse jeweils die Axialverschiebung des rohrförmigen Elementes
33 aufgetragen, während der Koordinatenursprung Null
der ursprünglichen bzw. der neutralen Stellung dieses Elementes
entspricht. Auf der positiven Abszisse sind die Bewegungen
des Elementes 33 in der Richtung C′ in Fig. 5, d. h.,
bei Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn, und auf der negativen
Abszisse die Bewegungen in der Richtung D′ in Fig. 5,
d. h., Lenkdrehmoment in Gegenuhrzeigersinn aufgetragen.
Die Kennlinien der Signale an den Sekundärwicklungen 40 b,
40 c des Differenztransformators sind in Fig. 7A-1, 7B-1
dargestellt. Fig. 7A-1 zeigt eine beispielhafte Kennlinie
des Ausgangssignals VR der Sekundärwicklung 40 b und die
Fig. 7B-1 eine beispielhafte Kennlinie des Ausgangssignals
VL der Sekundärwicklung 40 c.
Die Ausgangssignale VR, VL der Sekundärwicklung 40 b, 40 c
werden mittels Gleichrichtern 53 a, 53 b zunächst gleichgerichtet
und sodann mittels Tiefpaßfiltern 54 a, 54 b von
Welligkeiten befreit. Die genannten Tiefpaßfilter geben
ein Paar von geglätteten Signalen VR₀, VL₀ ab. Das Ausgangssignal
VR₀ des Tiefpaßfilters 54 a sowie das Ausgangssignal
VL₀ des Tiefpaßfilters 54 b, welche den Kurvenverlauf
nach Fig. 7A-2 bzw. 7B-2 besitzen, werden in ein Paar
von Subtraktionsstufen 55 a, 55 b eingespeist, in denen sie
einem Paar von Subtraktionsoperationen derart unterworfen
werden, daß in der Subtraktionsstufe 55 a die Beziehung
VR₁ = VR₀ - VL₀ und in der Subtraktionsstufe 55 b die Beziehung
VL₁ = VL₀ - VR₀ gebildet wird. In der Subtraktionsstufe
55 a wird VR₁ nahezu gleich Null, wenn VR₀ VL₀
ist, während in der Subtraktionsstufe 55 b die Größe VL₁
nahezu zu Null wird, wenn VL₀ VR₀ ist. Der Kurvenverlauf
der Ausgangssignale VR₁, VL₁ der Subtraktionsstufen
55 a, 55 b sind in Fig. 7A-3 bzw. 7B-3 dargestellt.
Der Differenztransformator 40 ist so geschaltet, daß die
Größe des Signals VR₁ und des Signals VL n proportional
zur Verschiebung des Elementes 33 gradlinig von Null an
zunimmt.
Die Regeltreiberschaltung 50 besitzt, abgesehen von den
Spannungsversorgungen des Oszillators 51 und der Primärwicklungs-
Treiberstufe 52 lediglich eine einzige (nicht
dargestellte) Spannungsversorgung positiver Polarität.
Aus diesen Gründen ist das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe
55 a, 55 b auf der positiven Spannungsseite auf im wesentlichen
0 V eingestellt, wenn der negative Eingangsanschluß
mit einem Eingangssignal gespeist wird, dessen
Spannung nicht größer als die des in den positiven Spannungseingang
eingespeisten Eingangssignals ist.
Gemäß Fig. 6 werden die Ausgangssignale VR₁, VL₁ der Subtraktionsstufen
55 a, 55 b in ein analoges ODER-Gatter 56
eingespeist, in dem sie zur Erzeugung eines Ausgangssignals
Sa verarbeitet werden. Dieses Signal Sa, dessen Kurvenverlauf
in Fig. 7A-4 dargestellt ist, dient als Drehmoment-
Größensignal zur Regelung der Amplitude des Läuferstroms
I₀ für den Elektromotor 5, wobei die Größe des Stroms i₀
direkt proportional zu derjenigen des Signals Sa ist, wie
dies im folgenden noch genauer beschrieben wird.
Das Ausgangssignal Sa des ODER-Gatters 56 wird in eine
Motortreiberschaltung 57 eingespeist, in die auch die
Ausgangssignale Sdr, Sdl des Drehmoment-Richtungsdetektors
4 als Drehmoment-Richtungssignale eingespeist werden. In
diese Motortreiberschaltung 57 werden die Signale Sa sowie
Sdr, Sdl in im folgenden noch zu beschreibender Weise derart
verarbeitet, daß der Läuferstrom I₀ für den Elektromotor
5 erzeugt wird.
In Fig. 6 bezeichnen die Bezugszeichen 5 b, 5 b Kommutatorbürsten
des Elektromotors 5 und das Bezugszeichen 5 c den
Rotor- bzw. Läufer dieses Motors 5.
Anhand von Fig. 8, welche ein Schaltbild der Motortreiberschaltung
57 zeigt, wird diese Schaltung anhand ihrer Regelwirkungen
für den Elektromotor 5 als Funktion des Drehmoment-
Größensignals Sa sowie der Drehmoment-Richtungssignale
Sdr, Sdl beschrieben.
Zunächst wird die Regelung der Drehrichtung des Läufers
5 c des Motors 5 beschrieben.
Gemäß Fig. 8 besitzt die Motortreiberschaltung 57 eine
Gleichstromquelle 61 als Stromversorgung zur Zuführung
eines Gleichstroms zur Zuführung eines als Läuferstrom
I₀ dienenden Gleichstroms, der über einen Leistungsschalter
62 und eine Sicherung 63 in einen Richtungs-Regelschaltungsteil
64 eingespeist wird, der seinerseits die
Richtung des Läuferstroms I₀ festlegt. Dieser Richtungs-
Regelschaltungsteil 64 enthält vier Relaisschalter 65, 66,
67, 68 welche durch vier Erregerwicklungen 65 a, 66 a, 67 a,
68 a ein- und ausgeschaltet werden. Die Relaisschalter 65,
66, 67, 68 sind unter Bildung von an die Bürsten 5 b des
Elektromotors 5 angeschalteten Ausgangsanschlüssen a, b
zu einer Brücke zusammengeschaltet. Die Erregerwicklungen
65 a, 66 a, 67 a, 68 a der Relaisschalter 65, 66, 67, 68
sind an eine mit einem Eingangsanschluß 69, in den das
Drehmoment-Richtungssignal Sdr, eingespeist wird, versehenen
Leitung 70 sowie mit einer weiteren mit einem weiteren
Eingangsanschluß 71, in den das Drehmoment-Richtungssignal
Sdl eingespeist wird, versehene Leitung 72 angeschaltet.
Die Anschaltung der Wicklungen 65 a, 68 a an die
Leitungen 70, 72 ist hinsichtlich der Stromrichtung gleichsinnig,
während die Anschaltung der Wicklungen 66 a, 67 a
an die Leitungen 70, 72 gegensinnig ist, so daß die Schalter
76, 77 geöffnet und die Schalter 65, 68 gleichzeitig
geschlossen sind, wenn das in den Anschluß 69 eingespeiste
Richtungssignal Sdr auf "ein" geschaltet ist, und im Gegensatz
dazu die Schalter 65, 68 geöffnet und die Schalter
66, 67 geschlossen sind, wenn das in den Anschluß 71 eingespeiste
Richtungssignal Sdl auf "ein" geschaltet ist.
Die Richtung des Läuferstroms I₀ verläuft daher entweder
vom Anschluß a zum Anschluß b oder vom Anschluß b zum Anschluß
a. Ist das Richtungssignal Sdr auf "ein" geschaltet,
so sind lediglich die Relaisschalter 65, 68 geschlossen,
so daß der Gleichstrom von der Stromquelle 61 über einen
Brückenanschluß c, den Schalter 65 und den anderen Brückenanschluß
a in den Elektromotor 5 und sodann von diesem
über den Anschluß b zum Schalter 68 geführt wird. Im
Gegensatz dazu sind bei auf "ein" geschaltetem Richtungssignal
Sdl lediglich die Relaisschalter 66, 67 geschlossen,
so daß der Gleichstrom von der Stromquelle 61 durch den
Anschluß c, den Schalter 67 und den Anschluß b zum Elektromotor
5 und von diesem über den Anschluß a zum Schalter 66
zurückgeführt wird.
Parallel zu jedem Relaisschalter 65, 66, 67, 68 liegt eine
durch eine Diode, einen Widerstand und einen Kondensator
gebildete Schutzschaltung 73, wodurch Bogenentladungen
aufgrund der Ein- und Ausschaltvorgänge der Schalter 65
bis 68 verhindert werden.
Die Motortreiberschaltung 57 enthält weiterhin einen Größenregelschaltungsteil
74 zur Regelung der Größe des Läuferstroms
Null. Dieser Regelschaltungsteil 74 besitzt einen
Signaleingang für einen Transistorkreis 75, der drei in
Serie geschaltete Leistungstransistoren enthält und in dem
die Größe des Stroms I₀ proportional zum Eingangssignal geregelt
wird.
In der Größen-Regelschaltung 74, die einen Anschluß 76 zur
Aufnahme des Drehmoment-Größensignals Sa aufweist, wird dieses
Signal Sa durch einen Widerstand 77 auf eine vorgegebene
Spannung geteilt und sodann in einen Verstärker 78 eingespeist,
in dem es zur Erzeugung des vorgenannten Eingangssignals
für den Transistorkreis 75 verstärkt wird. Der
in den Motor 5 einzuspeisende Läuferstrom I₀ besitzt eine
der Spannung des Drehmoment-Größensignals Sa proportionale
Spannung, so daß die zweite Welle 2 ein Hilfsdrehmoment
erhält, dessen Größe proportional zum Größensignal Sa
ist.
Die Größen-Regelschaltung 74 enthält weiterhin einen nichtinvertierenden
Verstärker 79, einen Tiefpaßfilter 80 sowie
einen Überstromschutzkreis 81. Die Größe des Läuferstroms
I₀ wird durch einen Widerstand 83 in Form eines
Spannungssignals erfaßt, das über den nichtinvertierenden
Verstärker 79 und das Tiefpaßfilter 80 in den Verstärker
78 zurückgeführt sowie in einen Transistor 82 der Überstromschutzschaltung
81 eingespeist wird, wobei der Transistor
82 parallel zum Widerstand 77 liegt. Bei einer derartigen
Schaltungsausführung wird bei überhöhtem Läuferstrom
I₀ der Transistor 92 durchgesteuert, wodurch die Zuführung
des Größensignals Sa zum Widerstand 77 unterbrochen wird,
so daß der Strom I₀ nicht mit einer unzulässigen Größe in
den Elektromotor 5 eingespeist werden kann.
Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, daß der in den
Elektromotor 5 einzuspeisende Läuferstrom Null in der Motortreiberschaltung
57 hinsichtlich seiner Größe durch das
Drehmoment-Größensignal Sa vom ODER-Gatter 56 und dessen
Richtung durch die Drehmoment-Richtungssignale Sdr, Sdl
vom Drehmoment-Richtungsdetektor 4 geregelt werden.
Gemäß der vorstehend erläuterten Schaltungsausführung
wird bei Schließen des Grenzschalters 20 oder 21 des
Drehmoment-Richtungsdetektors 4 hinsichtlich seiner
Richtung durch die Regeltreiberschaltung 50 festgelegt,
während seine Größe als Funktion der vom Differenztransformator
40 als Funktion der Größe des Drehmomentes gelieferten
Detektorsignale VR, VL festgelegt wird. Bei der in
Rede stehenden Ausführungsform besitzt der die erste und
die zweite Welle 1, 2 verbindende Torsionsstab 15 in Verdrehrichtung
eine kleinere Federkonstante als der die
zweite und dritte Welle 2, 3 miteinander verbindende Torsionsstab
30. Unter der Voraussetzung, daß der Fahrzeugführer
seine auf das Lenkrad 8 zur Einwirkung gebrachten
Lenkkräfte von Null an im Sinne einer Drehung in Uhrzeigerrichtung
oder in Gegenuhrzeigerrichtung erhöht,
wird dabei keiner der Grenzschalter 20 oder 21 im Sinne
des Schließens betätigt, so daß der Elektromotor 5 enterregt
bleibt, wobei die relative Winkelverschiebung
zwischen der ersten und zweiten Welle 1, 2 größer als diejenige
zwischen der zweiten und dritten Welle 2, 3 ist.
Im folgenden wird die Funktion der elektrischen Servolenkvorrichtung
beschrieben.
Jedesmal, wenn das Lenkrad 8 normal betätigt wird, arbeitet
die Regeltreiberschaltung 50 derart mit dem Drehmoment-
Richtungsdetektor 4 und dem Drehmoment-Größendetektor 9
zusammen, daß der Elektromotor 5 den Läuferstrom I₀ mit
der entsprechenden Größe und in entsprechender Richtung
erhält, so daß die zweite Welle mit einem entsprechenden
Hilfsdrehmoment beaufschlagt wird, d. h., die Lenksäule
101 und damit die Zwischenwelle 111 erhalten dieses Hilfsdrehmoment,
wodurch das Lenken durch den Fahrzeugführer
erleichtert wird.
Die Funktion der Servolenkvorrichtung 100 wird zunächst für
den Fall beschrieben, daß ein mit dieser Vorrichtung 100
ausgerüstetes Fahrzeug von einer Geradeausfahrt in eine
Rechtskurve und sodann in die Geradeausfahrt zurückgesteuert
werden soll.
Bei der Geradeausfahrt wird das Lenkrad 8 in einer neutralen
Stellung gehalten, ohne daß dabei relative Winkelverschiebungen
zwischen der ersten und der zweiten Welle
1, 2 und der zweiten und dritten Welle 2, 3 entstehen,
wodurch die rohrförmigen Elemente 17, 33 der Drehmoment-
Richtungs- und Größendetektoren 4, 9 in ihren ursprünglichen
Stellungen verbleiben, so daß der Elektromotor 5
überhaupt nicht betätigt wird.
Werden nun Lenkkräfte im Uhrzeigersinn auf das Lenkrad
8 ausgeübt, so wird zunächst zwischen der ersten und der
zweiten Welle 1, 2 eine relative Winkelverschiebung D 1, 2
erzeugt, wodurch das rohrförmige Element 17 in der Richtung
C bewegt wird. Hat dieses Element die vorgegebene axiale
Grenze überschritten, so wird der Grenzschalter 20 eingeschaltet.
In diesem Zeitpunkt ergibt sich zwischen der
zweiten und der dritten Welle 2, 3 eine relative Winkelverschiebung
D 2, 3, die kleiner als die Winkelverschiebung
D 1, 2 ist, wobei das Drehmoment-Größensignal Sa eine Spannung
entsprechend der Winkelverschiebung D 2, 3 besitzt.
Das Drehmoment-Größensignal Sa besitzt - nicht nur in diesem
Fall - einen Signalwert proportional zu dem auf die
Lenksäule 101 wirkenden Lenkdrehmoment.
Da der Grenzschalter 20 eingeschaltet ist, wird das von
diesem abgegebene Drehmoment-Richtungssignal Sdr auf "ein"
geschaltet. Die Regeltreiberschaltung 50 speist nunmehr
den Elektromotor 5 mit dem Läuferstrom I₀, der hinsichtlich
seiner Größe so gesteuert ist, daß sie proportional
zum Signalwert des Drehmoment-Größensignals Sa ist. Die
Stromrichtung im Motor 5 entspricht der Drehung im Uhrzeigersinn.
Im Motor 5 wird somit ein entsprechendes
elektromagnetisches Drehmoment erzeugt, das als Hilfsdrehmoment
im Uhrzeigersinn über das aus den Getrieberädern
6 und 7 mit kleinem bzw. großem Durchmesser gebildete Untersetzungsgetriebe
auf die zweite Welle 2 übertragen wird.
Die resultierende Drehung der Lenksäule 101 wird als Drehmoment
durch die Zwischenwelle 11 auf das Lenkgetriebe
13 übertragen, wodurch die Vorderräder und damit das Fahrzeug
nach rechts gelenkt werden.
In einer derartigen Rechtskurve führen die Torsionsstäbe
15, 30 die erste, zweite und die dritte Welle 1, 2, 3 in
relativ kurzer Zeit in die ursprünglichen Stellungen,
in denen keine relativen Winkelverschiebungen vorhanden
sind zurück, wenn die auf das Lenkrad zur Einwirkung
kommenden Lenkkräfte in relativ kurzer Zeit ohne Loslassen
des Lenkrades 8 im wesentlichen auf Null reduziert
werden.
Durch die Wirkung des Torsionsstabes 15 kann die relative
Winkelverschiebung zwischen der ersten und der zweiten
Welle 1, 2 relativ leicht auf Null reduziert werden, wodurch
das Drehmoment-Richtungssignal Sdr auf "aus" geschaltet
und der Läuferstrom I₀ zur Enterregung des Elektromotors
5 zu Null gemacht wird.
Aufgrund des bereits erwähnten Richtmoments suchen andererseits
die Vorderräder in einer relativ kurzen Zeit in eine
neutrale Stellung zurückzukehren. Ein derartiges Richtmoment
wird auf die dritte Welle 3 übertragen, welche somit
schnell nach links gedreht wird, d. h., von der Seite
der ersten und der zweiten Welle 1, 2 im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird.
Eine derartige Linksdrehung der dritten Welle entspricht
einer Rechtsdrehung der zweiten Welle relativ zu dieser
dritten Welle, so daß der Drehmoment-Größendetektor 9 ein
falsches Lenkdrehmoment erfaßt, das im Uhrzeigersinn um
die zweite Welle 2 wirkt, so daß sich ein bestimmter Wert
oberhalb von Null für das Drehmoment-Größensignal Sa ergibt.
Gleichzeitig wird die schnelle Linksdrehung der dritten
Welle 3 über den Torsionsstab 30 auf die zweite Welle 2
übertragen, wobei auch die Tendenz einer weiteren Übertragung
über den Torsionsstab 15 auf die erste Welle 1
besteht.
Da das Lenkrad 8 im wesentlichen frei von Lenkkräften
ist, ist die durch den Torsionsstab 15 nunmehr erzeugte
Last nur durch das sehr kleine Trägheitsmoment aufgrund
der Gewichte des Lenkrades 8 und der ersten Welle 1
bestimmt. Für den Fall, in dem die zweite Welle von der
Seite der ersten Welle aus gesehen im Uhrzeigersinn gedreht
wird, dreht sich auch die erste Welle 1 im wesentlichen
gleichwirkend mit der zweiten Welle 2 im Gegenuhrzeigersinn.
Speziell wird die erste Welle 1 relativ zur zweiten Welle
2 geringfügig nach links gedreht. Bei einer derartigen
geringfügigen Relativdrehung der ersten Welle 1 wird das
rohrförmige Element 17 des Drehmoment-Richtungsdetektors
4 so lange nicht in der Richtung C bewegt, bis der Grenzschalter
20 wieder eingeschaltet wird. Daher wird das
Drehmoment-Richtungssignal Sdr auf "aus" gehalten.
Selbst, wenn also in der Regeltreiberschaltung 50 das
auf dem Ausgangssignal VR des Drehmoment-Größendetektors
9 basierende Signal VR n einen bestimmten Wert oberhalb
von Null besitzt, wodurch auch das Drehmoment-Größensignal
Sa einen bestimmten Wert oberhalb von Null erhält,
wird das Drehmoment-Signal Sdr im beschriebenen Sinne auf
"aus" gehalten, so daß der Läuferstrom I₀ auf einem Nullpegel
gehalten und der Elektromotor 5 damit nicht nach
rechts gedreht wird.
Auf diese Weise werden sowohl das Lenkrad 8 als auch die
Vorderräder glatt und schnell in die neutrale Stellung gebracht.
Für ein mit der elektrischen Servolenkvorrichtung 100 ausgerüstetes
Fahrzeug ergibt sich ein entsprechendes Ergebnis,
wenn die Stärke der auf das Lenkrad 8 zur Einwirkung
kommenden Lenkkräfte in einer relativ kurzen Zeit durch
oder ohne Loslassen des Lenkrades 8 im wesentlichen auf
Null gebracht werden, um das Fahrzeug aus einer Linkskurve
in eine Geradeausfahrt zu bringen.
Wenn die relative Winkelverschiebung zwischen der ersten
und der zweiten Welle 1, 2 einen eine vorgegebene Phasendifferenz
übersteigenden Wert annimmt, gelangen die armartigen
Teile 1 a der ersten Welle 1 mit den ausgeschnittenen
Teilen 2 a der zweiten Welle 2 in Anschlag, wodurch
die erste und die zweite Welle 1, 2 sich miteinander drehen.
Eine derartige Ausgestaltung erleichtert eine ausfallsichere
Ausgestaltung der Servolenkvorrichtung 100. Eine
entsprechende Erleichterung ergibt sich auch durch die
wechselweise aneinander angepaßten Teile der zweiten und
dritten Welle 2, 3.
In der dargestellten Ausführungsform wird das durch den
Elektromotor 5 erzeugte elektromagnetische Drehmoment
als Hilfsdrehmoment auf die zweite Welle 2 übertragen.
Es kann jedoch auch ebenso auf die dritte Welle 3 oder
die Zwischenwelle 11 übertragen werden.
Weiterhin ist in der beschriebenen Ausführungsform das
Lenkgetriebe 13 als Zahnstangengetriebe ausgebildet.
Stattdessen können auch andere Getriebeformen verwendet
werden, vorausgesetzt, daß das Richtmoment des gelenkten
Vorderbodenrades mechanisch auf eine Seite einer Lenkwelle
übertragen wird.
Weiterhin ist bei der beschriebenen Ausführungsform die
Federkonstante des Torsionsstabes 15 kleiner als diejenige
des Torsionsstabes 30. Ein derartiger Zusammenhang der
Federkonstante kann dadurch modifiziert werden, daß der
Abstand des rohrförmigen Elementes 17 von der axialen
Grenzstellung, in der die Grenzschalter 20 oder 21 geschlossen
werden, geändert wird.
Claims (4)
1. Elektrische Servolenkvorrichtung (100) für ein ein zu
lenkendes Bodenrad aufweisendes Fahrzeug mit einem
Lenkrad (8), einer mit diesem verbundenen Lenksäule
(101), deren Ausgangswelle (3) mit dem Bodenrad in Wirkverbindung
steht, einem ein Hilfsdrehmoment für die
Ausgangswelle erzeugenden Elektromotor (5), einem Drehmomentdetektor
(4, 9) zur Erfassung der Richtung und
der Größe des auf die Lenksäule (101) wirkenden Drehmoments
und mit einer Regeltreiberschaltung (50) zur Erzeugung
eines Drehmoment-Richtungssignals (Sdr, Sdl) und eines
Drehmoment-Größensignals (Sa) als Funktion eines
Ausgangssignals (Sdr, Sdl, VR, VL) des Drehmomentdetektors
(4, 9) zur Speisung des Elektromotors (5) mit einem Läufersignal
(I₀) in einer solchen Richtung und mit einer solchen
Größe, wie dies sowohl als Funktion des Drehmoment-Richtungssignals
(Sdr, Sdl) als auch des Drehmoment-Größensignals
(Sa) erforderlich ist, wobei die Lenksäule (101)
einen Wellenstrang enthält, der eine erste mit dem Lenkrad
(8) verbundene Welle (1) und eine zweite mit der ersten Welle
(1) in Wirkverbindung stehende Welle (2) aufweist, und der
Drehmomentdetektor (4, 9) einen zwischen der ersten Welle
(1) und der zweiten Welle (2) angeordneten Drehmoment-
Richtungserfassungsmechanismus (4) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle als dritte Welle (3)
ausgeführt ist, die mit der zweiten Welle (2) in Wirkverbindung
steht, und daß der Drehmoment-Größenerfassungsmechanismus
(9) des Drehmomentdetektors (4, 9) zwischen der
zweiten und der dritten Welle (2 bzw. 3) angeordnet ist.
2. Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das vom Elektromotor (5) gelieferte
Hilfsdrehmoment auf die zweite Welle (2) wirkt.
3. Elektrische Servolenkvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (1) und die zweite
Welle (2) über ein erstes elastisches Element (15) miteinander
verbunden sind, daß die zweite Welle (2) und die dritte Welle
(3) über ein zweites elastisches Element (30) miteinander
verbunden sind und daß das erste elastische Element (15)
eine kleinere Federkonstante als das zweite elastische Element
(30) aufweist.
4. Elektrische Servolenkvorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle
(3) mit dem Bodenrad über ein Zahnstangengetriebe (13) verbunden
ist.
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