DE3435544A1

DE3435544A1 - Kraftverstaerktes lenksystem fuer ein fahrzeug

Info

Publication number: DE3435544A1
Application number: DE19843435544
Authority: DE
Inventors: Frederick John Clevedon Avon Adams
Original assignee: TRW Steering Systems Ltd
Current assignee: TRW Steering Systems Ltd
Priority date: 1983-09-28
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1985-04-11
Also published as: GB2146960A; GB2156752A; JPS60151179A; GB8423449D0; GB8325863D0; FR2552388A1; JPS60151178A; FR2555538B1; FR2555538A1; IT1182293B; IT8467963A0; FR2552388B1; FR2552389A1; DE3435520A1; IT8467962A1; US4580651A; GB2146960B; GB2147256A; GB8423448D0; IT1182294B

Description

PATENTANWÄLTE SPQTT UND: fttfSOHMANN

TRW CAM GEARS LIMITED München, 17.09.1984

Old Church Road P 1200/84

Clevedon, Avon BS21 6NJ, Pu/rei England

Kraftverstärktes Lenksystem für ein Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein kraftverstärkendes System für das Lenksystem eines Fahrzeuges.

Kraftverstärkte Lenksysteme für Motorfahrzeuge sind bekannt und umfassen üblicherweise eine Fluid-Quelle zur Erzeugung eines Fluid-Druckes, der wahlweise unter Steuerung eines Fluid-RichtungsventiIs einem Arbeitszylinder zugeleitet wird. Dieses Fluidrichtung-Steuerungsventil spricht auf das jeweilige Lenkdrehmoment an, um den Fluid-Druck, der dem Arbeitszylinder zugeleitet wird, zu steuern.

Die Herstellung solcher Fluidrichtung-SteuerungsventiIe ist schwierig, da sie sehr genau herzustellen und daher sehr teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe durch ein neues, wohlfeiles, kraftverstärkendes System für das Lenksystem eines Fahrzeuges zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durcn miteinander in Eingriff stehende erste und zweite Glieder, durch fluiddruckempfindliche, bewegungsunterstützende Glieder zur Lenkunterstützung und durch Glieder für die selektive Zuleitung eines Fluid-Druckes zu diesen Gliedern in Abhängigkeit von Signalen, die von einem Sensor in Abhängigkeit der Bewegung wenigstens eines Teils eines der Glieder als Antwort auf ein Lenkdrehmoment erzeugt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Glied eine Zahnstange und das zweite Glied ein Ritzel, wobei die Signale durch die axiale Bewegung von mindestens einem Teil des Ritzels erzeugt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispieie beschrieben.

Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine sehematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines kraftunterstützten Lenksystems gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines kraftunterstützten Lenksystems gemäß der Erfindung,

Figur 3 eine schematische Ansicht einer Modifikation der Ausführungsform nach Figur 2,

Figur 4 einen Querschnitt einer ersten Ausbildungsform einer Zahnstangen-Ritzel-Anordnung in der Ausführungsform nach der Erfindung,

Figur 5 einen Querschnitt einer zweiten Ausbildungsform einer Zahnstangen-Ritzel-Anordnung für ein Lenksystem nach der Erfindung,

Figur 6 einen Querschnitt durch einen Teil einer Sensor-Anordnung ,

Figur 7 einen Querschnitt, durch einen Teil einer anderen Sensor-Anordnung und

Figur 8 eine schematische Ansicht einer weiteren Aus-

führungsform eines kraftunterstützten Lenksystems nach der Erfindung.

Eingangs sei auf Figur 1 verwiesen, die eine Grundform eines kraftverstärkten Lenksystems für eine Zahnstangen-Ritzel-Lenkanordnung eines Fahrzeuges darstellt, bestehend aus einem Lenkrad 1 mit einer ein Drehmoment übertragenden Lenksäule 2, die zu einer Zahnstangen-Ritzel-Anordnung in einem Gehäuse 3 führt. Die jeweilige Lenkbewegung wird von Spurstangen 4 auf die zu lenkenden Räder in an sich bekannter Weise übertragen.

Ein Arbeitskolben 5 oder eine andere kraftunterstützende Vorrichtung hat einen Zylinderteil bei 6 befestigt und sein Kolbenteil wirkt über einen Lenker 7 in bekannter Weise unterstützend auf die Spurstangen 4. Selbstverständlich kann die kraftunterstützende Vorrichtung mit der Spurstange ein integrales Bauteil bilden.

Ein Druckmittel ist in einem Behälter 8 gespeichert und strömt über Einwegventile 11 und 12 durch das Rohr 9 oder 10 in Abhängigkeit der Drehrichtung einer von einem Elektromotor 14 oder einem anderen Primär-Antrieb angetriebenen Pumpe 13. Der durch die Pumpe 13 erzeugte Druckmittel-Druck wirkt über ein Rohr 15 oder 16 auf die eine oder andere Seite des Arbeitskolbens 5.

Die Einweg-Ventile 11 und 12 können auch aus dem Lenksystem weggelassen werden, so daß die Pumpe 13 selektiv direkt über die Rohre 15 bzw. 16 auf der einen oder anderen Seite des Arbeitskolbens 5 wirksam wird. Falls jedoch der Arbeitskolben 5 von der Art ist, bei der Differenzdruckbereiche an einander gegenüberliegenden Seiten

des Kolbens vorhanden sind, ist Vorsorge zu treffen für eine unterschiedliche Fluidströmung in Abiiangigkeit der Richtung der Kolbenbewegung. Eine solche Maßnahme kenn erreicht werden durch die Einweg-Ventile 11 und 12 oder eines etnsprechenden Äquivalentes, oder aber durch eine Anordnung, wie sie später in Verbindung mit Figur noch zu beschreiben ist.

An dem Gehäuse 3 der Zahnstangen-Ritzel-Anordnung ist ein Drehmoment-Sensor 17 angeordnet, dessen elektrische Verbindungsleitungen 18 zu einem Mikroprozessor 19 fuhren, der von einer Batterie 20 gespeist ist und dessen Ausgangssignale über Leitungen 21 dem Elektromotor 14 zugeleitet werden.

Nach einer anderen Ausführungsform ist ein Drehmoment-Sensor 17a in der Form einer drehbaren Vorrichtung vorgesehen, dessen Ausgangssignale über eine Leitungsverbindung 18a weitergeleitet werden.

Weitere Details über die einzelnen Bauteile werden später beschrieben, jedoch kann bereits jetzt ausgesagt werden, daß jedes signifikante Lenk-Drehmoment, das über das Lenkrad 1 aufgebracht wird, über die Sensoren 17 oder 17a in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und dem Mikroprozessor 19 zugeleitet wird, der daraus ein entsprechendes Steuersignal für den Elektromotor 14 ableitet. Der Elektromotor 14 dreht und treibt die Pumpe 13 in der entsprechenden Richtung, um die eine oder die andere Seite des Arbeitskolbens 5 unter Druck zu setzen und damit die Bewegung der Spur- oder Lenkstangen 4 zu unterstützen. Selbstverständlich ist die direkte Bewegungseinleitung über die Lenksäule 2 auf die Spurstangen 4 eine übliche Praxis.

In Figur 2 und den nachfolgenden Figuren sind gleiche oder ahn 1 ιcho Teile der Anordnung mit gleichen Bezugsziffern versehen wie die in Figur 1 bezeichneten Teile.

In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform sind zusätzlich zu den entgegengesetzt angeordneten Einwegventilen 11 und 12 Kolbenschieber-Ventile 22 und 23 vorgesehen, die jeweils über schwache Federn 26 und 27 in ihrer in der Zeichnung dargestellten Lage gehalten sind. Diesen Kolbenschieber-Ventilen 22 und 23 sind die Rohre 28 bzw. 29 zugeordnet, die jeweils zurück zum Behälter 8 führen.

Der Zweck der Kolbenschieber-Ventile 22 und 23 ist es, einen uneingeschränkten Rücklauf des Druckmittels durch die Rohre 15 oder 16 zu ermöglichen, der durch ein sehr stark angewachsenes, über das Lenkrad 1 oder durch stoßartige Belastungszustände hervorgerufenes Drehmoment verursacht sein mag; dieser Rücklauf erfolgt über die Kolbenschieber-Ventile 22 und 23 und die Rohre 28 und 29 zurück zum Behälter 8. Diese Ventile 22 und 23 unterstützen ferner das sofortige Zentrieren des Kolbens des Arbeitszylinders 5. Dagegen beeinflussen die Kolbenschieber-Ventile 22 und 23 den Druck des Druckmittels, das über die Rohre 15 und 16 durch die Pumpe 13 geliefert wird, da sie leicht gegen die Kraft der jeweiligen Feder 26 und 27 bewegbar sind.

Eine modifizierte Ausführungsform dieses Ausführungsbeispiels, bei der eines der Einwegventile und eines der Kolbenschieber-Ventile in einem einzigen Ventil zusammengefaßt sind, zeigt das Bezugszeichen 30, wodurch das Rohr 28 entfällt. Dort erstreckt sich das Rohr 9 vom Behälter 8 direkt zwischen die Steuerkanten des modifizierten Kolbenschieber-Ventils und bildet eine Verbindung zum Rohr 32, das zur Pumpe 13 über eine innere Passage 33 führt, in der das Einwegventil 11 angeordnet ist. Das eben beschriebene Ventil 30 arbeitet in gleicher Weise,wie es in Verbindung mit den getrennten Ventilen 11 und 22 beschrieben worden ist.

Nunmehr sei in Verbindung mit Figur 3 eine modifizierte Ausführung*· form der Anordnung nach Figur 2 beschrieben, insbesondere eine Ventilanordnung 34, durch die zwei in Figur 2 mit 30 bezeichnete Ventile miteinander kombiniert werden.

In der Ausführungsforto nach Figur 3 wird das Druckmittel über Rohre 9 und 10 zwischen die Steuerkanten der Kolben 35 bzw. 36 des Ventils 34 eingespeist, die jeweils die EinwegventiIe 11 und 12 umfassen. Die Kolben 35 und 36 sind von einer gemeinsamen schwachen Feder 37 beaufschlagt.

Die Ausführungsform nach Figur 3 arbeitet in gleicher Weise, wie es für die Ausführungsform nach Figur 2 beschrieben worden ist und erlaubt einen schnellen Druckmittel-Rückfluß vom Arbeitszylinder 5 zum Behälter 8 jeweils durch eines der Rohre 15 oder 16.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines axial verschieblichen Ritzels in einer Zahnstangen-Ritzel-Anordnung ist in Figur 4 gezeigt. Ein Ritzel 38 weist einen Keilwellenstumpf 39 für das Anbringen an der Lenksäule 2 auf und ist in Lagern 40 und 41 drehbar gelagert sowie mittels Federn 42 in axialer Bewegungsrichtung zentriert. Das Ritzel weist eine Schraubenverzahnung 43 auf, die in Eingriff mit entsprechend geneigten Zähnen 44 der Zahnstange 45 ist.

Am freien Ende des Ritzels 38 ist ein Permanent-Magnet 46 angeordnet, der in seiner Ruhelage dem Sensor 17 benachbart ist. Dieser Sensor kann als sogenannter "Hai Γ'-Generator oder in anderer Weise ausgebildet sein, vorausgesetzt, er ist empfindlich auf Bewegungen eines benachbarten Permanent-Magneten.

Im Betrieb wird ein sehr kleiner Betrag des Drehmomentes des Lenkrades vom Ritzel direkt auf die Zahnstange übertragen, ohne daß die von den Federn 42 bewirkte Zentrierung des Ritzels überwunden wird. Falls jedoch ein höheres Drehmoment aufgebracht wird, kann die

Druckkraft einer der Federn 42 überwunden werden und entsprechend dem Winkelkontakt der Schraubenzähne 43 des Ritzels und der zugehörigen geneigten Zähne 44 der Zahnstange wird dds Ritzel axidl verschoben. Das vom Permanent-Magneten 46 erzeugte magnetische Feld bewirkt eine entsprechende Signalerzeugung im Sensor 17, dieses Signal ist abhängig vom Grad der Bewegung zwischen dem Magnet 47 und dem Sensor 17. Diese Bewegung wird dem Mikroprozessor übermittelt, der ein Signal erzeugt, das dem Motor 14 zugeleitet wird, der die Pumpe mit einer solchen Drehzahl derart antreibt, daß der Druck des Druckmittels an der einen Seite des Kolbens im Arbeitszylinder 5 erhöht wird, um die gewünschte Bewegungsgeschwindigkeit zu erreichen und das Lenken des Fahrzeuges zu unterstützen.

Sobald das Drehmoment des Lenkrades aufhört zu wirken, wird das Ritzel 38 von den Federn 42 zentriert, um es so für die nächste Lenkbewegung vorzubereiten.

In Figur 5 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnstangen-Ritzel-Lenkanordnung gezeigt.

Das Ritzel 47 ist wiederum mit einem Keilwellenstumpf 48 für das Verbinden mit der Lenksäule 2 versehen. Das Ritzel 47 ist in drei Hauptteilen hergestellt, nämlich das Kopfteil 49, das den Keilwellenstumpf 48 umfaßt, das äußere Ritzelteil 50, das die axiale Verzahnung aufweist, mit der die Zähne der Zahnstange 51 in üblicher Weise in Eingriff stehen, und das zentrale Stab-Teil 52, welches das axial bewegliche Teil der Ritzelanordnung ist. Das zentrale Stab-Teil 52 ist frei für jede Drehbewegung innerhalb des äußeren Ritzelteils 50 und fähig, sich in bezug auf das äußere Ritzelteil relativ zu bewegen.

Das äußere Ritzelteil 50 ist in Lagern 53 und 54 drehbar gelagert und mit dem Kopfteil 49 über Federn 55 verbunden, durch die das Kopfteil 49 in bezug auf das äußere Ritzelteil 50 zentriert ist, solange kein signifikantes Drehmoment zu übertragen ist.

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tin vergrößerter Abschnitt 56 <u.-s zentralen Teils 52 ist mit einer Kurvenfläche 57 versehen, mit der ein im Kopfteil 49 gelagerter Stift 58 in Eingriff steht. Der vergrößerte Abschnitt 56 enthält ferner einen Schlitz 59, in den ein Stift 60 ragt, welcher im Kopfteil 49 fixiert ist; auf diese Weise ist es dem zentralen Stab-Teil 52 möglich, sich innerhalb des äußeren Ritzelteiles 50 zu drehen und axial zu bewegen.

Sobald ein signifikantes Drehmoment auf das Teil 49 ausgeübt wird, dreht dieses und damit auch das zentrale Stabteil 52. Die Federn 55 bringen den Stift in Eingriff mit der Kurve 57 und dieser Eingriff des Stiftes 58 bewegt das Stab-Teil 52 axial in der einen oder anderen Richtung in Abhängigkeit der Drehung des Teiles 49 und, wie bei den anderen Ausführungsbeispielen bereits beschrieben, ein Magnet 46 erzeugt ein Signal im Sensor 17, das über die Leitungen 18 zum Mikroprozessor gesandt wird. Sobald das Lenk-Drehmoment verschwindet, bewegen die Federn das zentrale Teil 52 in axialer Richtung wieder in die Mittellage, um es für das nächste Lenk-Drehmoment bereitzustellen.

in Figur 6 ist im Detail die Magnet-Sensor-Anordriung in Verbindung mit der Ausführungsform nach Figur 4 dargestellt. Das Ritzel 38 hat an seinem freien Ende den Permanent-Magnet 46, der in einem Messingstecker 61 gelagert ist. Der Sensor 17 ist auf einer Messingpldtte 62 angeordnet, ferner ist eine Messing-Deckplatte 63 vorgesehen, die mittels Schrauben 64 befestigt ist. Ein schmaler Luftspalt ist zwischen dem freien Ende des Magneten 46 und dem Sensor 17 vorhanden und erlaubt ein axiales Bewegen.

Eine modifizierte Ausführungsform des Sensors ist in Figur 7 dargestellt, bei der der Sensor 17 der Seitenfläche des Magneten 46 gegenüberliegt und mittels eines Dichtringes 65 von diesem getrennt ist.

Der Sensor kann nur auf die Richtung der Steuerkommandos ansprechen, falls ein einfaches Lenksystem ausreichend ist, jedoch kann er andererseits nicht nur auf die Richtung der Lenkung, sondern auch auf das Lenkmoment ansprechen.

Eine weitere Ausführungsform des Lenksystems ist in Figur. 8 gezeigt, wo, wie bereits vorher beschrieben, ein Primär-Antrieb 14 eine Fluid-Pumpe 13 selektiv in der einen oder der anderen Richtung in Abhängigkeit des Lenkausschlages durch das Lenkrad antreibt.

Durch die Pumpe 13 wird ein Fluid unter Druck gesetzt in den Rohren 66 oder 67, die zu einander gegenüberliegenden Seiten eines Shuttle-Ventils 68 mit zwei einander gegenüberliegenden Platten 69 und 70 führen, welche jeweils von einer Feder in ihrer Sitzposition gehalten sind. Zwischen den Platten 69 und 70 liegt ein Umschalt-Ventil (Shuttle) 71 axial beweglich, jedoch von den Federn der Platten und 70 in der zentralen Lage oder Position gehalten.

Die Sitzflächen der Platten 69 und 70 weisen Nuten oder ähnliches auf, die eine Fluid-Kommunikation von den Rohren 66 und 67 zum Shuttle-Ventil erlauben, das Flächen und Nuten besitzt, um dem Fluid eine Passage über das Rohr 72 zum Behälter 8 oder zum Rohr 73 vom Rohr 66 oder zum Rohr 74 vom Rohr 67,zu ermöglichen.

Ein F1uid-Speise-Venti1 75 ist zwischen dem Behälter 8 und beiden Seiten der Pumpe 13 vorgesehen.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist wie folgt: Sobald das Lenkrad 1 gedreht wird und der Motor 14 die Pumpe 13 in einer Richtung antreibt, strömt Fluid (Druckmittel) im Rohr 66, passiert die Platte 69 und beaufschlagt das Shuttle-Ventil 71 in Richtung nach links, wie in Figur 8 dargestellt. Hierdurch wird ein Fluidstrom über das Rohr 73 zur rechten Seite des Arbeitskolbens ermöglicht, das rückfließende Fluid gelangt über das Rohr 74 und das Rohr 72 zum Behälter 8 und über das Rohr 67 zur anderen Seite

der Pumpe 13. Sobald das Lenkrad in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird, wird der Motor 14 veranlaßt, die Pumpe 13 im entgegengesetzten Sinne anzutreiben, wodurch das Shuttle-Ventil nach rechts
bewegt wird, wie Figur 8 zeigt. Auf diese Weise wird nun die linke Seite des Arbeitskolbens 5 mit Druck beaufschlagt.

Diese Ausführungsform ist sehr gut brauchbar, wenn der Arbeitskolben ein sogenannter Differential-Kolben ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE SPOTT UND: PÜSCHMANN TRW CAM GEARS LIMITED München, 17.09.1984 Old Church Road P 1200/84 Clevedon, Avon BS21 6NJ, Pu/rei 3 4 3 5 5 A 4 England PATENTANSPRÜCHE

1. Kraftverstärkendes System für das Lenksystem eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch miteinander in Eingriff stehende erste und zweite Glieder (43, 45), durch fluiddruckempfindliche, bewegungsunterstützende Glieder (5) zur Lenkunterstützung, und durch Glieder (13, 14, 17, 18, 19) für die selektive Zuleitung eines Fluid-Druckes zu diesen Gliedern

(5) in Abhängigkeit von Signalen, die von einem Sensor (17) in Abhängigkeit der Bewegung wenigstens eines Teils (38, 52) eines der Glieder als Antwort auf ein Lenkdrehmoment erzeugt werden.

2. Kraftverstärktes Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des Sensors (17) von der Richtung der Lenkbewegung abhängig sind.

3. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des Sensors (17) von der Richtung der Lenkbewegung und dem Lenkmoment abhängig sind.

4. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Glied eine Zahnstange (45, 51) und das zweite Glied ein Ritzel (38, 47) ist, und daß die Signale durch die axiale Bewegung von mindestens einem Teil (46, 52) des Ritzels erzeugt werden.

5. Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel (38, 47) gegenüber axialen,Bewegungen mittels Federdruck (Federn 42, 55) zentriert ist.

6. Lenksystem nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bewegung des Ritzels (38, 47) durch eine Schraubenverzahnung, die in eine ähnliche Verzahnung der Zahnstange (45, 51) eingreift, erreicht wird.

7. Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch g ekennzeich net, daß die axiale Bewegung durch eine Ritzelanordnung (47 bis 60) erreicht wird, die ein zentrales Stab-Teil (52) umfaßt, das mit dem Ritzelteil (50) drehbar, jedoch axial beweglich ist, wobei das zentrale Stab-Teil (52) eine Kurvenfläche (57) aufweist, in die ein vom Drehmoment übertragenden Teil des Lenksystems getragener Stift (58) eingreift.

8. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (17, 17a) durch einen Permanent-Magneten aktivierbar ist, der von dem axial beweglichen Teil (38, 52) getragen ist.