Servolenkung für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge mit einer mechanischen Antriebsverbindung zwischen einer Lenkhandhabe, insbesondere einem Lenkhandrad, und einer Lenk¬ getriebeanordnung zur Lenkbetätigung von Fahrzeugrädern, ei¬ nem mit der Lenkgetriebeanordnung antriebsgekoppelten Servo¬ motor und einem mit der Antriebsverbindung gekoppelten und analog zu von der Antriebsverbindung übertragenen Kräften oder Momenten steuerbaren Servoventil, welches den Servomotor steuerbar mit Druck- und Niederdruckanschlüssen verbindet, derart, daß der Servomotor eine die notwendige Betätigungs¬ kraft an der Handhabe vermindernde Servokraft erzeugt.
Derartige Servolenkungen sind allgemein bekannt und werden in großer Zahl serienmäßig in Kraftfahrzeugen eingebaut.
Zur Steuerung des Servoventiles sind in der Regel in der An¬ triebsverbindung zwei miteinander drehelastisch verbundene Teile vorgesehen, beispielsweise zwei mittels eines Drehsta¬ bes miteinander verbundene Wellenteile. Entsprechend der je¬ weils von der Antriebsverbindung übertragenen Kraft bzw. ent-
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sprechend dem übertragenen Moment tritt eine mehr oder weni¬ ger große Relativdrehung zwischen den vorgenannten Teilen auf. Diese Relativdrehung wird zur Steuerung des Servoventi¬ les ausgenutzt.
Das Servoventil kann als Drehschieberanordnung mit zwei rela¬ tiv zueinander drehbaren Schieberteilen ausgebildet sein, die in der vorgenannten Antriebsverbindung angeordnet und mitein¬ ander drehelastisch, in der Regel mittels des vorgenannten Drehstabes, verbunden sind.
Bei einer aus der DE 44 09 928 A1 bekannten Servolenkung der eingangs angegebenen Art ist eine als hydraulische Druckquel¬ le dienende Pumpe mit einem hydraulischen Druckspeicher kom¬ biniert, welcher bei Bedarf von der Pumpe nachgeladen bzw. auf vorgegebenem Ladedruck gehalten wird. Der Druckspeicher ist über eine durch ein Absperrventil gesteuerte Druckleitung mit einem Druckanschluß des Servoventils verbunden. Dieser Druckanschluß ist des weiteren über eine Steuerleitung, in der eine Drossel angeordnet ist, mit der Druckseite der Pumpe verbunden. In Phasen ohne Bedarf einer Servounterstützung nimmt das Servoventil eine offene Mittellage ein, in der der genannte Druckanschluß sowohl mit den Anschlüssen des Servo¬ motors als auch mit einem Niederdruckanschluß verbunden ist, über den das Servoventil mit einem relativ drucklosen Hydrau¬ likreservoir verbunden ist. Der über die genannte Steuerlei¬ tung von der Pumpe zum Servoventil fließende Hydraulikstrom wird über das Servoventil dem Reservoir zugeführt, solange
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das Servoventil den Zustand seiner offenen Mitte einnimmt. Wenn nun bei einem Lenkmanöver das Servoventil zunehmend ver¬ stellt wird, stellt sich ein zunehmender Drosselwiderstand zwischen Druckanschluß und Niederdruckanschluß des Servoven¬ tiles ein, mit der Folge, daß der hydraulische Druck in der Steuerleitung deutlich zunimmt. Dieser Druck wird auf einen Steuereingang des Steuerventiles zwischen Druckspeicher und Servoventil geleitet, mit der Folge, daß das Steuerventil nunmehr öffnet und die Druckleitung freigibt, d.h. den Druck¬ anschluß des Servoventils mit dem Druckspeicher verbindet. Damit steht ein zur Erzeugung einer größeren Servokraft hin¬ reichend großer, vom Druckspeicher und/oder der Pumpe gespei¬ ster Hydraulikstrom unter hohem Druck zur Verfügung.
Aus der WO 90/12 723 ist eine Fahrzeuglenkung bekannt, bei der eine für den Notfall vorgesehene mechanische Zwangskopp¬ lung zwischen einem Lenkhandrad und Fahrzeuglenkrädern norma¬ lerweise aufgetrennt ist. In diesem Falle werden dann ein zur Lenkverstellung der Fahrzeuglenkräder dienendes erstes hy¬ draulisches Stellaggregat und ein zur Erzeugung einer am Lenkhandrad fühlbaren Handkraft dienendes zweites hydrauli¬ sches Stellaggregat wirksam. Beide Stellaggregate werden von einer Steuerelektronik gesteuert. Diese Steuerelektronik be¬ tätigt einerseits das den Fahrzeuglenkrädern zugeordnete er¬ ste hydraulische Stellaggregat entsprechend den Signalen ei¬ nes vom Lenkhandrad betätigten Sollwertgebers für den ge¬ wünschten Lenkwinkel. Andererseits wird von der Steuerelek¬ tronik das zur Erzeugung der Handkraft dienende, dem Lenk-
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handrad zugeordnete zweite hydraulische Stellaggregat betä¬ tigt, wobei verschiedenartige Parameter berücksichtigt werden können. Mittels der Steuerelektronik besteht die Möglichkeit, das Verhältnis zwischen Lenkwinkeländerung der Fahrzeuglenk¬ räder und Drehwinkeländerung des Lenkhandrades auf ein für eine gute Handhabbarkeit des Fahrzeuges wünschenswertes Maß einzustellen, ohne vom Fahrer einen übermäßigen Kraftaufwand fordern zu müssen. Denn der Fahrer muß lediglich den Wider¬ stand des zur Einstellung der Handkraft dienenden zweiten Stellaggregates überwinden. Die tatsächlich für die Lenkver¬ stellung der Fahrzeuglenkräder notwendigen Kräfte werden vom ersten Stellaggregat aufgebracht. Im Ergebnis läßt sich damit eine leichgängige und gleichwohl direkte Lenkung verwirkli¬ chen, bei der eine relativ geringe Drehverstellung des Lenk¬ handrades zu einer deutlichen Lenkwinkeländerung der Fahrzeu¬ glenkräder führt. Nur bei einem Notfall wird eine mechanische Zwangskopplung zwischen Lenkhandrad und Fahrzeuglenkrädern eingeschaltet. In diesem Falle muß bei einem System der WO 90/12 723 zur Begrenzung der notwendigen Handkraft eine ver¬ gleichsweise indirekte Lenkung - eine größere Drehverstellung des Lenkhandrades führt zu einer relativ geringen Lenkwinke¬ länderung der Fahrzeuglenkräder - in Kauf genommen werden.
Grundsätzlich ist es erwünscht, die Übersetzung zwischen der Lenkhandhabe und den Fahrzeuglenkrädern verändern zu können, beispielsweise in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges. Außerdem wird angestrebt, Fahrzeuglenkungen so auszubilden, daß Lenkeingriffe durch autonome Steuerungs-
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Systeme möglich werden, die beispielsweise dazu dienen sol¬ len, Seitenwindeinflüssen oder Schleuderbewegungen des Fahr¬ zeuges entgegenzuwirken.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine hierfür besonders ge¬ eignete Servolenkung zu schaffen, wobei im Hinblick auf eine hohe Zuverlässigkeit des Systems möglichst viele Teile her¬ kömmlicher Servolenkungen verwendbar sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antriebsverbindung durch Öffnen einer in der Antriebsverbin¬ dung angeordneten Kupplung auftrennbar ist, und daß bei ge¬ öffneter Kupplung das Servoventil unwirksam und der Servomo¬ tor über ein nunmehr wirksames gesondertes Steuerventil steu¬ erbar ist, welches seinerseits mittels einer Regelstrecke in Abhängigkeit von einer Differenz (Soll-Istwertabweichung) zwischen einer mit dem Lenkwinkel der Fahrzeuglenkräder kor- relierten ersten Größe (Istwert) und einer zumindest mit dem Stellhub der Lenkhandhabe korrelierten zweiten Größe (Sollwert) steuerbar ist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Lenk¬ handhabe über zwei, alternativ einschaltbare Wege mit den Fahrzeuglenkrädern zu koppeln. Einerseits kann die Lenkhand¬ habe in herkömmlicher Weise mit den Fahrzeuglenkrädern mecha¬ nisch antriebsverbunden sein, wobei die an der Handhabe auf¬ zubringenden Handkräfte durch den Servomotor vermindert wer¬ den. Andererseits kann die Lenkhandhabe auch lediglich mit-
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telbar mit den Lenkrädern gekoppelt sein, indem in Abhängig¬ keit vom Stellhub und/oder der Stellgeschwindigkeit der Lenk¬ handhabe lediglich Sollwerte für den Lenkwinkel der Fahrzeu¬ glenkräder vorgegeben und der Servomotor mittels des geson¬ derten Steuerventiles derart betätigt wird, daß der Istwert des Lenkwinkels der Fahrzeuglenkräder dem Sollwert ent¬ spricht .
Im ersteren Falle dient also der Servomotor lediglich zur Un¬ terstützung der mit der Handhabe ausgeführten Lenkmanöver. Im letzteren Falle übernimmt der Servomotor die vollständige Lenkarbeit .
Das erfindungsgemaße System zeichnet sich durch höchste Si¬ cherheit aus, weil es ohne weiteres möglich ist, daß die Kupplung sofort in ihren geschlossenen Zustand übergeht und damit den mechanischen Durchtrieb zwischen Lenkhandhabe und Fahrzeuglenkrädern herstellt, sobald Fehler in der Regel¬ strecke, welche sich in grundsätzlich bekannter Weise ständig selbst auf fehlerfreie Funktion überprüfen kann, festgestellt werden.
Bei geöffneter Kupplung können prinzipiell beliebige Überset¬ zungsverhältnisse zwischen Lenkhandhabe und Fahrzeuglenkrä¬ dern verwirklicht werden. Darüber hinaus können bei der Vor¬ gabe der Sollwerte für den Lenkwinkel der Fahrzeuglenkräder auch auf das Fahrzeug einwirkende Störkräfte, wie Seitenwind
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oder sonstige Parameter, wie z.B. die Giergeschwindigkeit, berücksichtigt werden.
Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Er¬ findung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Aus¬ führungsformen der Erfindung beschrieben werden.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schaltplanartig schemati¬ sierte Gesamtdarstellung in der erfindungsgemäßen Servolen¬ kung.
Gemäß der Zeichnung ist ein Lenkhandrad 1 in grundsätzlich bekannter Weise über eine Lenksäule 2 mit einem Zahnritzel 3 verbunden, welches mit einer Zahnstange 4 kämmt, die über Spurstangen 5 mit Fahrzeuglenkrädern 6 gekoppelt ist, so daß die Fahrzeuglenkräder 6 bei Drehung des Lenkhandrades 1 nach rechts oder links in entsprechende Richtung gelenkt werden.
Zwischen dem Zahnritzel 3 und der Lenksäule 2 ist ein nach Art einer Drehschieberanordnung ausgebildetes Servoventil 7 angeordnet, welches zwei miteinander durch einen Drehstab (nicht dargestellt) drehelastisch verbundene Steuerteile auf¬ weist, von denen eines drehfest mit dem Zahnritzel 3 und ei¬ nes drehfest mit der Lenksäule 2 verbunden ist. In Abhängig¬ keit von dem zwischen dem Zahnritzel 3 und der Lenksäule 2 übertragenen Drehmoment werden die beiden Steuerteile des Servoventiles 7 relativ zueinander mehr oder weniger weit
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verdreht. Diese Relativdrehung wird in weiter unten erläuter¬ ten Weise zur Steuerung des Servoventiles 7 ausgenutzt.
Über eine Eingangsleitung 8 ist das Servoventil 7 mit der Druckseite einer Hydraulikpumpe 9 verbunden, die saugseitig an ein Hydraulikreservoir 10 angeschlossen ist, mit dem das Servoventil 7 über eine Ausgangsleitung 11 verbunden ist. Au¬ ßerdem ist das Servoventil 7 an zwei Motorleitungen 12 und 13 angeschlossen, die jeweils mit einer Kammer eines im darge¬ stellten Beispiel als Servomotor dienenden doppelt wirkenden Kolben-Zylmder-Aggregates 14 kommunizieren, dessen Kolben auf einer die Zahnstange 4 fortsetzenden Kolbenstange ange¬ ordnet ist . Insoweit entspricht das dargestellte System kon¬ ventionellen Servolenkungen.
Bei der Erfindung ist außerdem vorgesehen, daß in der Lenk¬ säule 2 eine Kupplung 15 angeordnet ist, durch die sich die mechanische Antriebsverbindung zwischen dem Lenkhandrad 1 und den Lenkrädern 6 auftrennen läßt. Handradseitig der Kupplung 15 ist an der Lenksäule 2 ein Handkraftsteller 16 angeordnet, der bspw. als selbsthemmungsfreier Elektromotor ausgebildet ist. Damit kann, insbesondere bei geöffneter Kupplung 15, am Lenkhandrad 1 ein steuerbarer Betätigungswiderstand bewirkt werden.
In der Eingangsleitung 8 sowie in den Motorleitungen 12 und 13 sind normal offene Absperrventile 17, 18 und 19 angeord¬ net. Diese Absperrventile 17, 18 und 19 können jeweils mit-
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tels zugeordneter Elektromagnete gegen die Kraft von Rück¬ stellfederungen in eine Schließlage umgestellt werden. Sobald die elektrische Stromzufuhr zu den Elektromagneten abgeschal¬ tet wird, fallen die Ventile 17, 18 und 19 in die dargestell¬ te Öffnungslage zurück.
Von der Druckseite der Hydraulikpumpe 9 führt eine weitere Leitung 20 über ein Rückschlagventil 21 , welches einen Rück¬ fluß zur Pumpe 9 verhindert, zu einem Druckspeicher 22 sowie einem Anschluß einer Steuerventilanordnung 23. Ein weiterer Anschluß dieser Steuerventilanordnung 23 ist über eine Rück¬ flußleitung 24 mit dem Hydraulikreservoir 10 verbunden. Zwei weitere Anschlüsse der Steuerventilanordnung 23 sind über Leitungen 25 und 26, die durch Absperrventile 27 und 28 ge¬ steuert werden, mit den Motorleitungen 12 und 13 verbunden, und zwar zwischen den Absperrventilen 18 und 19 und dem Kol¬ ben-Zylinder-Aggregat 14.
Die Steuerventilanordnung 23 wird durch eine Federanordnung in die dargestellte Mittellage gedrängt, in der die Leitungen 25 und 26 gegenüber den beiden anderen Anschlüssen der Steu¬ erventilanordnung 23 abgesperrt sind. Mittels Elektromagnete läßt sich die Steuerventilanordnung 23 in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen verstellen, derart, daß entweder zwischen dem Druckspeicher 22 und der Leitung 25 sowie der Leitung 26 und der Leitung 24 oder zwischen dem Druckspeicher 22 und der Leitung 26 sowie der Leitung 25 und der Leitung 24
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ein mehr oder weniger stark gedrosselter bzw. entdrosselter Durchgang geöffnet wird.
Die Absperrventile 27 und 28 können gegen die Kraft von Rück- stellfederungen durch Elektromagnete aus der normalerweise eingenommenen und in der Zeichnung dargestellten Schließlage in ihre Öffnungslage umgeschaltet werden. Bei Abschalten der elektrischen Stromzufuhr zu den Elektromagneten fallen die Absperrventile 27 und 28 in die dargestellte Schließlage zu¬ rück.
Die Ventile 17 bis 19 und 23 sowie 27 und 28 werden mittels einer Steuerelektronik 29 betätigt, die außerdem den Hand¬ kraftsteller 16 steuert sowie die Pumpe 9 steuern kann. Ein¬ gangsseite ist die Steuerelektronik 29 mit einem Sensor 30 für die Drehstellung des Lenkhandrades 1 sowie einem Sensor 31 , dessen Signale den Lenkwinkel der Fahrzeuglenkräder 6 wiedergeben, verbunden. Außerdem kann die Steuerelektronik 29 emgangsseitig mit einem Drucksensor 32 verbunden sein, der den Druck des Druckspeichers 22 registriert.
Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt:
Zunächst wird davon ausgegangen, daß die Kupplung 15 ge¬ schlossen ist und alle Absperrventile 15 bis 18 und 27 sowie 28 die in der Zeichnung dargestellten Lagen einnehmen. In diesem Falle arbeitet die Lenkung wie eine herkömmliche Ser¬ volenkung. In Abhängigkeit von dem über die Lenksäule 2 über-
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tragenen Drehmoment werden die Steuerteile des Servoventiles 7 mehr oder weniger stark relativ zueinander verstellt. Dies hat zur Folge, daß bei arbeitender Hydraulikpumpe 9 zwischen den Motorleitungen 12 und 13 eine mehr oder weniger große Druckdifferenz in der einen oder anderen Richtung, je nach Richtungssinn des Drehmomentes, auftritt und das Kolben- Zylinder-Aggregat 14 eine entsprechend große Servokraft in der einen oder anderen Richtung erzeugt, derart, daß die am Lenkhandrad 1 bei dem jeweiligen Lenkmanöver aufzubringende Handkraft deutlich vermindert wird.
Ggf. kann die Steuerelektronik 29 in Abhängigkeit von vorzu¬ gebenden Parametern, bspw. der Fahrgeschwindigkeit, den Hand- kraftsteller 16 ansteuern, derart, daß der am Lenkhandrad 1 fühlbare Widerstand in vorgebbarer Weise verändert wird.
Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, daß bei vorgebbaren Fahrzuständen, die durch mit der Steuere¬ lektronik 29 kommunizierende Sensoren (nicht dargestellt) er¬ mittelt werden, die Kupplung 15 geöffnet wird. Damit schaltet die Steuerelektronik 29 sämtliche Absperrventile 17 bis 19 und 27 sowie 28 in ihre jeweils anderen (nicht dargestellten) Lagen um. Dies hat zur Folge, daß das Servoventil 7 unwirksam wird und insbesondere nicht mehr mit dem Kolben-Zylinder- Aggregat 14 kommunizieren kann. Vielmehr ist das Kolben- Zylinder-Aggregat 14 nunmehr mit der Steuerventilanordnung 23 verbunden, die von der Steuerelektronik 29 betätigt wird. Da¬ bei wird die Steuerventilanordnung 23 so betätigt, daß im Er-
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gebnis der mittels des Sensors 31 ermittelte Istwert des Lenkwinkels der Fahrzeuglenkräder 6 einem Sollwert ent¬ spricht, der durch den mittels des Sensors 30 ermittelten Drehwinkel des Lenkhandrades 1 vorgegeben wird. Hierbei kön¬ nen praktisch beliebige Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Drehwinkel des Lenkhandrades 1 und dem Lenkwinkel der Fahr¬ zeuglenkräder 6 verwirklicht werden.
Dabei kann das Übersetzungsverhältnis insbesondere m Abhän¬ gigkeit von der ebenfalls mittels des Sensors 30 ermittelba¬ ren Drehgeschwindigkeit des Lenkhandrades 1 verändert werden.
Bei dieser Betriebsweise wird mittels der Steuerventilvor- richtung 23 am Kolben-Zylmder-Aggregat 14 eine j e nach der Soll-Istwert-Abweichung größere oder kleinere Druckdifferenz in der einen oder anderen Richtung eingestellt, so daß das Kolben-Zylmder-Aggregat 14 die gewünschte Lenkbewegung der Fahrzeuglenkräder 6 bewirken.
Sobald der gewünschte Lenkwinkel eingestellt ist, wird die Steuerventilanordnung 23 in die dargestellte Schließlage zu¬ rückgesteuert, in der das Kolben-Zylinder-Aggregat 14 hydrau¬ lisch gesperrt ist. Da nunmehr das Kolben-Zylmder-Aggregat 14 außerdem gegenüber der Hydraulikpumpe 9 abgetrennt ist, wird der Druckspeicher 22 nachgeladen, bis der Drucksensor 32 das Erreichen eines oberen Druckschwellwertes meldet. Sodann kann die Pumpe 9 stillgesetzt werden. Sobald nachfolgend die Steuerventilanordnung 23 aus der geschlossenen Mittellage
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ausgesteuert wird, weil em erneutes Lenkmanöver erfolgen soll, erfolgt die hydraulische Druckzufuhr zum Kolben- Zylmder-Aggregat 14 zunächst durch den Druckspeicher 22. Darüber hinaus wird die Hydraulikpumpe 9 wieder eingeschal¬ tet, sobald ein unterer Druckschwellwert am Drucksensor 32 unterschritten wird.
Wahlweise kann die Hydraulikpumpe 9 auch in Dauerbetrieb lau¬ fen. Dabei kann das umgewälzte, nicht benötigte Öl über das Ventil 17 zum Steuerventil 7 und durch dessen offene Mitte über den Rücklauf 11 m den Tank zurückströmen. Die Ventile 18 und 19 sind dabei geschlossen, während die Steuerven¬ tilanordnung 23 aktiv ist.
Bei geöffneter Kupplung 15 steuert die Steuerelektronik 29 außerdem ständig den Handkraftsteller 16, so daß am Handlenk¬ rad 1 em Stellwiderstand fühlbar wird, wobei am Lenkhandrad 1 ähnliche Verhältnisse simuliert werden können, wie sie bei emem mechanischem Durchtrieb zwischen Lenkhandrad 1 und Fahrzeuglenkrädern 3 auftreten.
Wenn die Steuerelektronik 29 mit entsprechenden (nicht darge¬ stellten) Sensoren versehen ist, kann die Steuerelektronik 29 auch besondere Lenkmanöver ausführen, um bspw. das Fahrzeug nach bzw. bei einer SeitenbÖ zu stabilisieren oder eme Schleuderbewegung abzufangen.
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Die Steuerelektronik 29 überprüft sich ständig auf richtige Funktionsweise. Sobald ein Fehler festgestellt werden sollte, wird die Stromversorgung der Elektromagnete der Umschaltven- tile 17 bis 18 und 27 sowie 28 sofort abgeschaltet, so daß diese Ventile in die m der Zeichnung dargestellten Lagen um¬ schalten. Gleichzeitig wird auch das m der Regel elektrische Betätigungsorgan der Kupplung 15 von der Stromversorgung ab¬ geschaltet, so daß die Kupplung 15 durch eme Schließfederung o.dgl. m ihre Schließlage umgeschaltet wird. Damit liegt im Ergebnis wieder eme herkömmliche Servolenkung mit mechani¬ schem Durchtrieb zwischen Lenkhandrad 1 und Fahrzeuglenkrä¬ dern 6 vor.
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