DE3534334C2 - - Google Patents

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.