带有紧凑的正齿轮变速器装 置的电力转向助力器 本发明涉及一种用于汽车的转向助力器，其带有一个转向轴，该转向轴有与之同轴布置的电的盘式转子电动机(Scheibenlufermotor)和一个作用于该转向轴的减速器。
由EP 0 124 790已知一种带有电驱动的转向助力器，其同轴安装于转向轴内。借助伺服电动机实现伺服力输入，该伺服电动机通过一个行星变速器作用于转向轴上。变速器和电动机相对转向轴同轴布置，其中转向轴对中地穿过该助力装置。因为电动和变速器设计为分立的、组装而成的单元，所以该助力装置体积庞大且由数量众多的零件组成，这对经济性和可靠性不利。一个具体的缺点在于，行星变速器的太阳轮固定在电动机驱动器的转子上，而转子和太阳轮同轴于转向轴线可转动地布置和支承。由此可以看出，在这种实施形式中，太阳轮总是具有较大的直径，至少绝不会直径比转向轴本身小。由于行星变速器在第一步地减速比取决于太阳轮和行星轮的直径比，则很容易看出，在这种实施形式下，无法实现大的轮直径化，因为太阳轮在这种结构中总是具有较大的直径。尽管在前述专利申请的说明书中还给出了1∶1至1∶10的减速比。但在这种实施形式下，较大的减速比只有在大大提高整个变速器直径情况下才可能，但这会导致转向助力器的不可靠的尺寸。
此外，变速器减速比小有一个缺点，即电动机功率必须相当大而且由于相应的费用所限只能使用转动较慢的电动机。另外还有一个缺点是响应性能较慢，这在系统中会导致反应惰性。
另一种已知的实施形式是，减速器采用蜗轮蜗杆传动装置。但此时由于整体效率差而要求很大的驱动功率，这又会导致伺服单元整体结构庞大并限制了经济的实施形式。在蜗轮蜗杆传动装置中错置90°的旋转轴线也阻碍了布置上的紧凑。
由于庞大的结构形式，主要在转向轴线方向上可利用的空间较小，这主要对安全性有不利影响。在驾驶员撞到方向盘上时，能量必须尽可能被有利地吸收，以便不伤害驾驶员。实现这一点的方法是转向杆在这样一种情况下通过伸缩式向内移动而屈服从而消耗能量。由此产生一种要求，即应有尽可能长的移动距离用于能量吸收装置，这在公知的现有技术中是不太可能的。因此在碰撞时理想的能量吸收移动距离的代价就是轴向上必需较大的结构空间。
已知装置的另一个缺点在于，由于复杂的构造除了机械间隙外还因运动质量大而具有一定的反应惯性，这对转向性能和经济性不利。例如，反应惯性导致较长的转向响应时间，这例如在急转弯时非常不利。已知装置的复杂结构在运转中还不利地消耗了许多能量。除了必要的供使用的能量的耗费外，还必须额外的费用以散发相应的热损失。
已知装置还有一个缺点是，传动件中的间隙补偿很费劲或者仅在一定条件下才可能。这导致转向性能精确度不高，反应时间增长，同时驾驶员的转向手感较差。
本发明的任务是消除前述现有技术中的缺点。尤其是实现一种用于转向装置的电力转向助力器，其结构极其紧凑而且可以获得具有响应转向性能良好动力性的迅速响应性能，并且工作效率高，可成本经济地制造。
根据本发明，该任务是通过如权利要求1的特征的装置来解决的。从属权利要求限定了其它优选实施形式。
根据本发明，该任务是这样解决的：一个盘状的电动机结合一个正齿轮传动装置，其中电动机同轴装到转向杆、转向轴或转向变速器轴颈的轴内，并且正齿轮偏心于轴与之耦合在一起。
可绕轴转动并支承的转子驱动一个同样绕轴同轴转动的直管接头状齿轮，该齿轮设计成主动小齿轮。该主动小齿轮与一个偏心布置的与之相啮合的大直径正齿轮一起构成正齿轮减速器的第一级。该正齿轮备有另一个齿轮同时转动，该齿轮作用于另一个与转向轴相连的齿轮的齿圈上，从而将电动力传动或减速传给转向轴。转向轴不中断，其轴线穿过整个装置。变速器可以设计成一级或多级的。必然的减速比已知是由齿轮副相互啮合的齿数限定的或者由其直径比和变速器级数限定。
盘式转子电动机的定子以及变速器固定在一个支承板上，或者可转动地支承着齿轮。支承板基本上垂直于转向轴线并平行于转子盘平面，其中支承板也容纳覆盖和保护电动机和变速器的壳体零件。支承板或在其上的壳体覆盖件具有固定机构，例如一个固定法兰，以便将支承板和电动机定子及变速器零件位置固定地保持在汽车底盘上。最好带有布置在其间的橡皮支座。穿过整个装置的转向轴本身最好两侧支承在相对壳体零件或支承板的入口或出口部位。作为轴承，这里最好用摩擦小的滚动轴承如球轴承。
电动机驱动最好采用电子整流的盘式转子电动机，其有一个位置固定的定子绕组，其中在定子绕组之间设有一个含有平面永磁体的旋转盘作为转子。为了能产生高转矩，最好使用强力的永磁体，其磁能含量大于6000高斯，例如含稀土元素的磁性材料，如钴-钐-材料，特别是钕磁性材料。电动机通过带调节设备的一个功率电子控制，其通过测量转向轴在方向盘侧的扭矩获取驾驶员输入的转向扭矩，并通过调节器控制电动机-变速器-单元，使得相应增强转向力。扭矩测量在伺服单元之前的方向盘侧进行，例如用应变计(DMS)或最好通过装在转向轴内的扭杆的变形测量。
伺服机构应能将大于50牛·米最好大至100牛·米的扭矩输出到轴上。此时驾驶员不必施加大于10牛·米，最好不大于6牛·米，以便能够轻便地控制。此外，扭矩传感器在转动＜1°，最好＜0.5°时已经响应，从而保证精确的控制。所述扭矩值可以通过盘式转子电动机与相应的正齿轮变速器有利的创造性的结合来实现。通过前述的由级数和每级的减速比来定电动机尺寸和变速器尺寸时的自由度，可以实现相应的扭矩。此时可考虑紧凑的布置结构形式，这种布置又不要求太多的馈电功率。较高的电动机功率除了结构庞大外还会增加冷却费用和在控制电子方面受到更大费用的限制。此外还要求更强的光机械、更大的蓄电池和更粗的电流导线。则经济性就没有了。借助本发明的装置可以在最大输入电动机电流为75A和电压为12V时很容易地达到至少50牛·米的扭矩，甚至超过65牛·米的扭矩。在电动机变速器装置效率相应整体优化情况下，在上述电动机馈电条件下可高达75牛·米。此时电动机-变速器-伺服-装置的尺寸可以在最大厚度100毫米、最大高度300毫米、最大宽度200毫米范围内。在图中所示采用两级变速器的典型实施例中，高度最大为246毫米，宽度最大为173毫米，厚度最大可达84毫米。因此按照该实施例的两级装置是这种应用的特别合适的实施形式。在该实施例中，在输出80牛·米扭矩时，电动机和变速器的整体效率大于80％。
在上述实例形式下，整个电动机变速器效率很容易超过75％。甚至可能超过85％，这特别有利于获得一种经济的工作方式。为优化运转的平滑和齿轮间隙，还建议，相啮合的齿轮实施为斜齿。如果所有啮合齿轮副都为斜齿，则能达到特别高的运转平滑。另外，带正齿轮变速器的结构形式可以设置能使齿轮间隙调整最优化的机构。为了实现上述的一种良好的转向性能，尽可能无间隙的伺服驱动是非常重要的。但这与变速器的高效率是矛盾的，因为无间隙会导致摩擦值升高。因此齿轮间隙的调整一方面应使齿轮间隙最小化，而另一方面应使变速器效率最大化。在前述值和两级结构形式条件下，业已证明变速器减速比为20至30特别有利。
在操作转向轴时整个装置通过伺服元件、分析电子和功率电子这样工作，即相应于驾驶员对转向轴的操作，力输入到转向轴并由此使转向轻便。该装置结构非常紧凑，效率高而且可以很少的费用被冷却。可以实现理想的人类工程学转向性能，并通过紧凑的实施形式，尤其是很小的轴向结构长度，可以最佳实现和安装碰撞时必需的吸收零件。
下面借助附图举例详述本发明。图示为：
图1本发明转向助力装置的示意横截面图，
图2支承板的三维示意图，其上安装了电动机一变速器一装置，
图3图2所示支承板的横截面图。
图1示出了带有优选的两级正齿轮变速器30的本发明转向助力器的横截面。可绕转向轴线1旋转的一根转向轴4穿过转向助力器10，30。并相对该转向助力器用滚动轴承最好是球轴承5，7支承。在图左侧表示方向盘侧2，在图右侧表示轴4的轮侧3。电动机10定位在方向盘侧2，相反，变速器30设在轴的轮侧3。在方向盘侧2还设有机构8用来接收驾驶员在转向过程中输出到转向轴4上的扭矩。该扭矩测量机构8产生一个相应的信号输出到调整电子进行继续处理，以相应地控制电动机10。为了测量扭矩例如可以使用应变计。一种特别合适的测取扭矩的方法是在轴4中装入一根扭杆测量相应于扭矩的扭转。盘式转子电动机10设计成电子整流电动机，其绕转向轴4同轴布置。转子盘13绕轴4同轴旋转并由对称布置在转子盘13两侧的定子绕组12驱动。转子盘13例如由纤维加强的塑料构成并含有铣槽以容纳永磁体14。用于永磁体14的铣槽可以在转子盘13中交互形成而不是贯通的，从而保证磁体简单的固定和定位。采用塑料有个优点，即盘13很轻并可很经济地制造。如果盘13实施为压铸件，则可以特别简单地制造。如果对转子盘13的微小平面冲击有特别高的要求，则其最好用金属制成，尤其是具有尽可能小的可磁化性的不锈钢(INOX)。不仅电动机10而且变速器30都相对位置固定的支承板20限定并固定。这里支承板20具有一个用于轴4的通孔并设置在旋转转子盘13的一个平行平面内，即垂直于轴4。在电动机侧，支承板20例如支承一个电动机壳盖11，其保护性地覆盖电动机装置并同时用作转向轴轴承5的支架，该轴承5通过一个保险装置6固定。支承板20内的通孔22例如可设计成直管接头形状，承担一个轴承固定块21的功能用于接纳主动小齿轮空心轴轴承39，16。主动小齿轮空心轴段31设计为很短的管件并与轴4同轴地相对支承板20或轴承固定块21借助轴承39，16可绕转向轴线1转动地支承。在主动小齿轮空心轴段31的一端通过转子固定件15固定着转子盘13，使得转子盘13将电动机10的扭矩传递给主动小齿轮31。主动小齿轮31的另一端设计为齿轮棘爪，与第一正齿轮33相啮合，按照理想的减速比，该第一正齿轮33比主动小齿轮具有更大的直径。正齿轮33借助轴承34，35支承在固定于支承板20上的正齿轮轴线23上。轴承例如可以公知方式用保险装置36，6，17密封。直径比第一正齿轮33小的另一个齿轮37设计为主动小齿轮37，直接与第一正齿轮33相连接并绕同一轴线旋转。第二主动小齿轮37通过齿轮啮合38与第二正齿轮40相啮合，该第二正齿轮直径比主动小齿轮大并直接与轴4相连接。为了在要求的扭矩条件下能实现装置的尺寸比较适宜，电动机10的馈电功率比较小，齿轮直径大小应这样来确定，即两级正齿轮变速器的总减速比在20至30范围内。这里比较有利的是，两级大致具有相同的减速比，例如约5倍，总的就是25倍。例如在馈电电压12V，馈电电流75A条件下，该实施形式输出到轴4的扭矩为65牛·米，馈电电流100A时扭矩为80牛·米。如果变速器的齿轮实施为斜齿，则即可保证特别平稳精确的运转。为了使第一级31，33的主动小齿轮31能啮合进偏心支承于轴线1的第一正齿轮33中，在直管接头形状的轴承固定块21侧面第一正齿轮33必须穿过的地方设置一个侧向的缝状通孔22用于该齿轮33。变速器30最好由一个变速器壳盖41覆盖并由此得以保证，其中该盖固定在支承板20上并同时装纳例如一个固定法兰42用于安装到汽车底盘上。在轴4的轮侧3上装有第二正齿轮40的部位最好有一个轴密封件43，以防止脏物进入。
转向助力器的变速器30应具有尽可能小的间隙，以保证良好的转向性能。同时必须确保变速器效率尽可能高，以便能够在整体结构形状较少时很小的电动机功率即够用，此外系统，包括控制电子的费用能保持较低。为此最好是设置一个齿轮间隙调整机构，尤其在带有第二主动小齿轮37的第一正齿轮33部位。借助这样一种装置可以最佳调整齿轮副的两个齿轮啮合32，38的间隙。为此，例如带有第二主动小齿轮37的第一正齿轮33的旋转轴线设有一个偏心旋转轴线23，24，25，26a，27，其可通过旋转调整。这可以用例如一个可转动地装在一个偏心孔25中的固定调整螺栓27进行。具有偏心孔的偏心盘24又靠到支承板20上并在那里例如用一个夹紧螺栓28固定到选定的位置中。通过旋转调整螺栓27可改变转向轴线1和旋转轴线26的径向轴线间距。这些细节可由图3中支承板20的截面图和图2中支承板20的三维视图更清楚地看出。另外在这些视图中可看到固定孔19，盘式转子电动机10固定在这些孔上。还有直管接头形状的轴承固定块21，其包绕转向轴线1，其中在该优选实施形式中，轴承固定块21为独立体，其用轴承块固定构件29固定在支承板20上。用于第一正齿轮33的通孔22在轴承固定块21中设计为缝状通孔。如果变速器30有一个密封壳体20，41并在轴4两侧进出壳体的入口和出口设置轴密封环43，则变速器可装纳液体如润滑油。由此可实现一种有利的阻尼，大大减少噪音的产生。此外摩擦进一步减小，从而附加地提高了效率。