WO1998012097A1

WO1998012097A1 - Elektrisch unterstützte lenkhilfe

Info

Publication number: WO1998012097A1
Application number: PCT/CH1997/000326
Authority: WO
Inventors: Peter Hirschauer; Daniel Brunnschweiler; Stefan Battlogg
Original assignee: Krupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 1999-03-18
Also published as: AU4007897A; EP0927128A1; JP2001505507A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkanordnung für Kraftfahrzeuge mit einem Elektroservomotorantrieb als Lenkhilfe bestehend aus einem Scheibenläufermotor (13) und einem Pulsatorgetriebe (14), welche koaxial in die Welle (3) der Lenkradspindel eingebaut sind, was zu einer äusserst platzsparenden, wirtschaftlichen Bauweise führt und ein dynamisches Ansprechverhalten bei guter Übertragungscharakteristik für ein ansprechendes Lenkverhalten bei der Steuerung des Fahrzeuges ermöglicht.

Description

Elektrisch unterstützte Lenkhilfe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lenkanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 411 600 ist eine Lenkanordnung bekannt geworden mit elektrisch unterstützter Lenkhilfe. Die Krafteinkopplung des Servomotors erfolgt seitlich der Lenkradwelle beziehungsweise der Lenkspindel über ein Kegelradgetriebe. Zwischen dem seitlich angebrachten Elektromotor und dem Kegelradgetriebe ist eine Kupplung angeordnet. Sensoren erfassen in bekannter Art die Position der Lenkradwelle, welche von einer Steuerelektronik verarbeitet wird und entsprechend der gewünschten Servofunktion den Servomotor betreibt. Elektrisch betriebene Lenkhilfen weisen gegenüber den bekannten hydraulisch betriebenen Lenkhilfen den Vorteil auf, dass sie weniger Antriebsenergie benötigen und somit Kraftstoffeinsparungen möglich sind von 5-10%. Ausserdem ist die erwünschte Kraftübertragungskennlinie mit elektronischen Regelungen besser zu realisieren als bei hydraulischen Vorrichtungen. Die bekannten elektrisch betriebenen Lenkhilfen weisen den Nachteil auf, dass sie relativ viel Einbauraum benötigen. Beim Automobilbau ist der zur Verfügung stehende Raum generell äusserst knapp. Der seitlich angebaute Motorantrieb führt zu einer grossen Ausladung des Servoantriebes und ist somit einer platzsparenden Anordnung im Fahrzeug hinderlich. Das benötigte Kegelgetriebe führt ausserdem dazu, dass ein relativ grosser Anteil der Lenkspindellänge für den Servoantrieb benötigt wird, was beispielsweise auf Kosten von zusätzlichen Sicherheitsfunk- tionen geht. Bei einem Aufprall des Lenkers auf das Steuerrad uss die Energie möglichst vorteilhaft aufgenommen werden, um den Fahrzeuglenker nicht zu verletzen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Lenkspindel in so einem Fall durch telesko- partiges Ineinanderschieben nachgeben soll. Daraus entsteht die Forderung möglichst lange Schiebewege für die Energieabsorptionsvorrichtung zur Verfügung stellen zu können, was mit den bekannten Servoantrieben gemass Stand der Technik nicht ohne weiteres möglich ist. Ein weiterer Nachteil besteht bei bekannten Vorrichtungen darin, dass diese durch den komplizierten Aufbau neben mechanischem Spiel auch wegen grossen zu bewegenden Massen eine gewisse Reaktionsträgheit aufweisen, was sich negativ auf das Lenkverhalten und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin die Nachteile des vorerwähnten Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine elektrische Lenkhilfe für eine Lenkanordnung zu realisieren, welche äu- sserst kompakt aufgebaut ist und welche es erlaubt, ein rasches Ansprechverhalten mit einer guten Dynamik mit ansprechendem Lenkverhalten für den Lenker zu erzielen bei wirtschaftlicher Herstellbarkeit.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäsε durch die Anordnung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsfor- men.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Servomotor als scheibenförmiger Elektromotor ausgebildet ist und direkt koaxial in die Welle der Lenkspindel, der Lenkwelle oder dem Lenkgetriebezapfen eingebaut ist, wobei das notwendige Untersetzungsgetriebe ebenfalls scheibenförmig ausgeführt ist und ebenfalls koaxial zwischen Motor und der Welle der Lenkspindel, der Lenkwelle oder dem Lenkgetriebezapfen eingebaut ist. Unter scheibenförmig wird verstanden, dass die Breite bzw. der Durchmesser grösser ist als die axiale Länge. Als Elektromotoren kommen DC- oder AC-Motoren mit oder ohne Bürsten, also auch elektronisch kommutierte Motoren in Frage. Gut geeignet sind auch Reluktanzmotoren, insbesondere wenn sie elektronisch geschaltet sind. Als Elektromotor ist wegen dem sehr schnellen Ansprechverhalten durch die geringen Rotormassen ein Scheibenläufermotor sehr geeignet. Dieser Scheibenläufermotor kann äusserst flach aufgebaut werden. Ein besonders geeigneter scheibenförmiger Antrieb ist der piezoelektrische Wanderwellenmotor, da dieser auch bei kleinen Drehzahlen ein hohes Anzugsmoment erreichen kann. Bei geeigneter Ausführung des Wanderwellenmotors kann sogar auf ein Getriebe verzichtet werden, bzw. der Aufwand für das Getriebe kleiner gehalten werden. Als flache Getriebe sind sogenannte Umlaufgetriebe geeignet, in denen die Hauptachse des Getriebes innerhalb des Umfanges eines Umlaufrades liegt, welche insbesondere in die Gruppe F16H 1/32 der internationalen Patentklassifikation einzuordnen sind. Besonders geeignet sind Spannungswellengetriebe, welche einen elliptischen Rotor, ein flexibles, aussenverzahntes Übertragungselement und als Getriebeelement einen innenverzahnten Ring aufweisen oder Har- monic-Drive-Getriebe, da diese bei den hohen geforderten Untersetzungen von bis zu einigen hundertfach, sehr flach und mit wenigen Teilen aufgebaut werden können. Bei sehr grossen geforderten Untersetzungsverhältnissen ist es ohne weiteres möglich, mehrere Getriebescheiben sandwichartig hintereinan- derzuschalten ohne die Baugrösse in axialer Richtung wesentlich zu erhöhen. Eine speziell geeignete Ausführungsform des Harmonie-Drives ist das sogenannte Pulsatorgetriebe, wie es in der Zeitschrift "Konstruktion Elektronik Maschinenbau" KEM November 1996 (ISSN 0934-0270, Verlag Konradin-Robert Kohlhammer GmbH, D-70771 Leinfelden-Echterdingen) auf Seite 94 bis 95 detaillierter als sogenanntes Hirngetriebe beschrieben ist. Dieses Getriebe ist für die vorliegende Anwendung deshalb besonders geeignet, weil es neben der sehr flachen Bauform geräuscharm ist, hohe Leistungsdichten ermöglicht, wartungsfrei und kostengünstig ist und Spielfreiheit aufweist. Die Kunststoffausführung erlaubt neben dem hohen übertragbaren Drehmoment hohe Spielfreiheit und eine preisgünstige Herstellung des Getriebes, was es für die vorliegende Anwendung neben allen andern bekannten Getriebearten besonders prädestiniert. Die erfinderische Motor-Getriebe-Kombination und die koaxiale Einbauweise führen zu einem hohen Wirkungsgrad was gegenüber dem Stand der Technik zusätzliche Kraft- stoffeinsparungen ermöglicht.

Die günstigste Einbaulage der erfinderischen Motor-Getriebe- Anordnung ist im Bereich der Lenkspindelwelle, womit der volle Längenspielraum der koaxialen Lenkwelle im Crashfall erhalten bleibt. Neben den Sensoren und der Steuerelektronik für den Motorantriebe wird zwischen Antrieb und der zu treibenden Welle eine steuerbare Kupplung benötigt, welche es beispielsweise erlaubt bei schneller Fahrt und bei einer Panne den Servoantrieb von der Welle zu entkoppeln. Um einen kompakten Aufbau der scheibenförmigen Motor-Getriebe- Anordnung beizubehalten ist es vorteilhaft, wenn die Kupplungseinrichtung mit dem Getriebe kombiniert beziehungsweise ins Getriebe integriert wird. Bei einem Harmonic-Drive- Getriebe (Harmonie Drive Limited, Chichester West Sussex England) und insbesondere bei einem Pulsatorgetriebe lässt sich dies einfach realisieren, indem der Getriebestator nach Bedarf mit einer Arretiervorrichtung gelöst oder gegenüber dem Fahrzeuggehäuse fixiert wird. Wenn die Arretiervorrichtung so ausgeführt ist, dass der Getriebestator gegenüber dem Fahrzeuggehäuse relativ bewegbar ist, kann die Kupplungsübertra- gungskennlinie sogar gesteuert werden. Dazu ist allenfalls ein weiterer kleiner Antriebsmotor oder eine Bremse notwendig, welche je nach gewünschter Kennlinie den Getriebestator in positiver oder negativer Drehrichtung bewegt. Besonders kompakt, verschleissfrei und leicht steuerbar in der scheibenförmigen, koaxialen Anordnung ist die Verwendung einer Magnetkupplung, insbesondere einer elektromagnetisch betriebenen Kupplung, wie einer Hysteresekupplung, welche den Grad des Kupplungseingriffes leicht steuern lässt auch bei verschiedenen Drehzahlen.

Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, in Form einer Prinzipdarstellung, die verschiedenen Bereiche eines Lenksäulenstranges

Fig. 2 schematisch und im Schnitt eine Lenkspindelanordnung mit Servoantrieb gemass Stand der Technik

Fig. 3 schematisch und in Schnittdarstellung eine erfin- dungsgemässe Anordnung eines koaxial aufgebauten Servoantriebes

Der Lenksäulenstrang gemass Fig. 1 ist in drei Bereiche gegliedert, welche mit den Punkten A bis D bezeichnet sind. An dem einen Ende der Lenkradwelle 3 beziehungsweise der Lenkspindel 3 ist am Endpunkt A das Lenkrad 1 befestigt. Das andere Ende der Lenkspindel 3 ist über ein Kreuzgelenk beim Punkt B mit der Lenkwelle 5 verbunden. Die Lenkwelle 5 ist wiederum über ein Kreuzgelenk beim Punkt C mit dem Lenkgetriebezapfen 6 mit Punkt D, d.h. dem Lenkgetriebe verbunden. Die Lenkwelle 5 und die Lenkspindel 3 werden vorzugsweise teleskopartig verschieblich ausgeführt um im Crashfall Energie absorbieren zu können. Die Lenkspindel 3 ist in einem Lenksäulengehäuse gelagert, welches wiederum über die Lenksäulenbefestigung 4 mit dem Fahrzeuggehäuse verbunden ist. Im Crashfall wird der vordere Teil des Fahrzeuges in der Phase I gestaucht und die verschiebbare Lenkwelle 5 gibt gegenüber dem Fixpunkt B nach. Gleichzeitig bewegt sich der Fahrzeuglenker in Pfeilrichtung 2 auf das Lenkrad 1 zu und prallt dort auf, wobei die Lenkspindel 3 ebenfalls durch Ineinanderschieben Energie aufnimmt. Dies wird als Phase II bezeichnet. Für den Crashfall ist es wichtig, dass genügend Teleskopschiebeweg für die Wellen 3 und 5 erhalten werden kann und dieser nicht durch zusätzliche Einbauten unzulässig beschränkt wird.

Fig. 2 zeigt im Schnitt den oberen Teil eines Lenkstranges gemass Stand der Technik, nämlich die Lenkradspindel 3 zwischen den Punkten A und B. Das Lenkrad ist am einen Ende 7 der Spindel 3 befestigt und am andern Ende der Spindel ist ein Kreuzgelenk 9 angeordnet, welches die Spindel 3 mit der Lenkwelle 5 verbindet. Die Lenkradspindel 3 ist koaxial und längsverschieblich ausgeführt und mit den Lagern 10 drehbeweglich in Richtung der Spindellängsachse 8 gelagert. Die Welle der Lenkradspindel 3 ist mit einem Getriebe 11 gekoppelt, wobei dieses Getriebe in bekannter Art als Kegelradgetriebe oder als Schneckengetriebe ausgeführt ist. Seitlich angeflanscht ist ein Elektromotor 12 mit dem Getriebe 11 gekoppelt angeordnet. Die Längsspindel 3 mit dem Servoantrieb 11, 12 ist in einem Gehäuse 4 gehaltert und an dem Fahrzeuggehäuse befestigt. Die üblicherweise verwendeten Gleichstrommotoren 12, bekannter Bauart, weisen eine längliche Bauform auf, was eine einseitig weite Ausladung des Motors bedeutet und somit den knappen zur Verfügung stehenden Einbauraum schlecht nutzt.

In Fig. 3 ist schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung im Querschnitt gezeigt. Ein scheibenförmiger Elektromotor 13, welcher durch die Lenkbewegung des Steuerrades als Servomotor geführt wird und ein scheibenförmiges Getriebe 14 ist koaxial auf der zu treibenden Lenkradwelle beziehungsweise Spindel 3 angeordnet. Das Gehäuse 16 des bevorzugten Scheibenläufermo- tors ist gegenüber dem Fahrzeuggehäuse 23 fixiert montiert, wobei die Getriebewelle 18, welche durch die RotorScheibe 17 verbunden und angetrieben wird, drehbeweglich koaxial zur Spindel 3 mit den Lagern 15 gelagert ist. Der Scheibenläufermotor weist in bekannter Weise beidseits zur Rotorscheibe 17 die magnetfeiderzeugenden Permanentmagnete 19 auf. Diese Motorbauart lässt sich äusserst kompakt und flach aufbauen. Die vom Motor getriebene Welle 18 ist im Bereich des Getriebekernes ellipsenförmig ausgebildet und deformiert bei Rotation den elastischen Pulsator 20, welcher durch die Verzahnung 24 im Peripheriebereich den äusseren Zahnkranz 19, welcher den Getriebeabgang bildet und mit der Welle 3 verbunden ist, untersetzt mitbewegt. Eine Bewegung des Getriebeabganges 19 ist nur möglich, wenn der Stator 21 gegenüber dem Fahrzeuggehäuse 23 ortsfest verbunden ist. Bei einem Lösen dieser Verbindung 22 dreht der Rotor 21 und der Getriebeabgang 19 bleibt an Ort. Mit der steuerbaren Verbindung bzw. Arretiervorrichtung 22 kann somit eine einfache Kupplungsfunktion realisiert werden, welche durch den Aufbau des Getriebekonzepts inhärent realisiert ist. Besonders einfach steuerbar und verschleiss- frei ist der Einsatz einer Magnetkupplung, insbesondere einer elektromagnetisch betreibbaren Kupplung 22. Die Magnetkupplung bietet ausserdem ein rasches Entkuppeln bei Fehlfunktionen des Motors, sowie eine hohe Dynamik, d.h. ein rasches Ansprechen der Lenkunterstützung. Bei Geradeausfahrt wird das selbsttätige Rückstellen erleichtert durch rasches Entkuppeln, wenn vom Fahrer kein Moment verlangt wird. In diesem Fall reicht die Rückstellkraft der Vorderachse, um die Räder gerade zu stellen. Eine weitere sehr geeignete Kupplungsausführung ist die elektroviskose Flüssigkeitskupplung. Das Prinzip beruht darauf, dass mit einer elektrischen Spannung die Viskosität einer Flüssigkeit gesteuert wird, welche wiederum zur Kraftübertragung genutzt werden kann. Eine solche Kupplung erlaubt, wie bei der vorerwähnte Magnetkupplung eine rasche Steuerbarkeit. Ausserdem ist diese einfach aufbaubar und leistungsarm steuerbar.

Mit einer Relativbewegung des Getriebestators 21 gegenüber dem Fahrzeuggehäuse 23 kann sogar das Kraftübertragungsverhalten gesteuert werden. Der Getriebestator 21 kann wahlweise abgebremst werden bis zum Stillstand oder sogar in Gegendrehrichtung versetzt werden. Motor-Getriebe-Anordnungen der vorliegenden Art können mit der Kupplung zusammen äusserst kompakt, koaxial auf der Wellenachse, aufgebaut werden, vorzugsweise mit Abmessungen < 90 mm in axialer Richtung bei einem Durchmesser von weniger als 200 mm.

Claims

Patentansprüche

1. Lenkradanordnung für Kraftfahrzeuge enthaltend einen Elektroservomotor (12) und ein Getriebe (11) zur Lenkkraftunterstützung wirkverbindbar mit der Lenkspindel (3), der Lenkwelle (5) oder dem Lenkgetriebezapfen (6) dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroservomotor (13) scheibenförmig ausgebildet ist und mit einem scheibenförmigen Getriebe (14) kombiniert koaxial zu der Lenkspindel ( 3 ) , der Lenkwelle (5 ) oder dem Lenkgetriebezapfen (6) koppelbar angebracht ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (13) als Scheibenläufermotor ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14) als Harmonic-Drive, vorzugsweise als Pulsatorgetriebe ausgebildet ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Getriebe-Kombination vorzugsweise mit der Lenkspindel (3) wirkverbindbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14) eine integrierte Kupplungseinrichtung (19, 21, 22, 23, 24) aufweist, vorzugsweise bestehend aus einer Arretiervorrichtung (22) zur gesteuert lösbaren Verbindung des Getriebestators (21) mit dem festen Fahrzeuggehäuse (23).

6. Anordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung (22) Antriebsmittel aufweist zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung zwischen Getriebe- Stator (21) und Fahrzeuggehäuse (23), vorzugsweise steuerbar in positiver und/oder negativer Drehrichtung.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Kupplung (22) als elektromagnetische Kupplung, vorzugsweise als elektroviskose Kupplung ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein piezoelektrischer Wanderwellenmotor ist.