DE10351768A1 - Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Servolenkeinrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einem Lenksystem (10) für ein insbesondere zweispuriges Kraftfahrzeug mit einer Lenkhandhabe (12) zum Vorgeben eines Handmoments eines Fahrers des Kraftfahrzeugs an einem Lenkgetriebe (14), welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Kraftfahrzeug dient, einer Servolenkeinrichtung (20) zum zusätzlichen Einleiten eines im Betrag variablen Servo-Moments an dem Lenkgetriebe (14) und einer Überlagerungslenkeinrichtung (60) zum Überlagern eines im Betrag variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe (14) wird erfindungsgemäß mit der Überlagerungslenkeinrichtung (60) die Funktion "Regelung des Radlenkwinkels" und mit der Servolenkeinrichtung (20) die Funktion "Regelung des Handmoments" ausgeführt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein insbesondere zweispuriges Kraftfahrzeug mit einer Lenkhandhabe zum Vorgeben eines Handmoments eines Fahrers des Kraftfahrzeugs an einem Lenkgetriebe, welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Kraftfahrzeug dient, einer Servolenkeinrichtung zum zusätzlichen Einleiten eines im Betrag variablen Servo-Moments an dem Lenkgetriebe und einer Überlagerungslenkeinrichtung zum Überlagern eines im Betrag variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Lenksystems in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug.
• Bei heutigen Kraftfahrzeugen wird eine Vielzahl unterschiedlicher Lenksysteme verwendet. Die einfachsten dieser Lenksysteme übertragen einen vom Fahrer an einer Lenkhandhabe in Gestalt eines Lenkrades vorgegebenen Lenkwinkel und ein vorgegebenes Handmoment ohne jegliche Kraft- oder Momenten-Unterstützung über ein Lenkgetriebe auf lenkbare Fahrzeugräder. Durchaus üblich sind heutzutage aber Lenksysteme mit einer Kraft- bzw. Momenten-Unterstützung bzw. Überlagerung.
• Eine Momenten-Überlagerung können beispielsweise Servolenkungen vornehmen, bei denen mit Hilfe eines Servomotors an dem Lenkgetriebe des Lenksystems ein zusätzliches Servomoment eingeleitet wird. Wie bei unterstützungsfreien Lenksystemen üblich, bleibt bei der Überlagerung die Zuordnung zwischen dem Winkel der Lenkhandhabe und dem Winkel der Fahrzeugräder erhalten.
• Das Servomoment wird beispielsweise mit einem hydraulischen Gleichlaufzylinder erzeugt, der mittels einer Lenkhilfepumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird. Unterschieden werden bei solchen Servolenkeinrichtungen Systeme mit hydraulisch offener Mitte ("Open-Center-Lenksystem") und Systeme mit hydraulisch geschlossener Mitte ("Closed-Center-Lenksystem"). Bei Systemen mit hydraulisch offener Mitte ist ein lastfrei offenes Lenkhilfeventil vorgesehen, durch welches das Hydraulikfluid andauern und insbesondere auch ohne einen Lenkungseinschlag umgewälzt wird. Bei Systemen mit hydraulisch geschlossener Mitte wird eine Lenkhilfepumpe bedarfsgerecht gesteuert.
• In der Kraftfahrzeugentwicklung werden zurzeit verstärkt Anstrengungen unternommen, mit einem Lenksystem eine so genannte Steer-by-Wire-Funktionalität zu erreichen. Dies bedeutet, dass an den lenkbaren Fahrzeugrädern auch ein von der Lenkvorgabe des Fahrers abweichender Lenkwinkel eingestellt werden kann. Ferner ist es erwünscht, dass dem Fahrer an seiner Lenkhandhabe ein frei wählbares Unterstützungs- oder Gegenmoment zu dem von ihm eingebrachten Handmoment entgegengebracht werden kann, so dass der Fahrer gezielt eine vorbestimmte Rückmeldung an der Lenkhandhabe erhält.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein serienfähiges Lenksystem mit voller Steer-by-Wire-Funktionalität bereitzustellen, bei dem auf kostengünstige Weise eine freie und unabhängige Regelung eines Radlenkwinkels und eines Handmomentes möglich sind.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Lenksystem der eingangs genannten Art gelöst, bei dem mit der Überlagerungslenkeinrichtung die Funktion "Regelung des Radlenkwinkels" und mit der Servolenkeinrichtung die Funktion "Regelung des Handmomentes" ausgeführt wird.
• Die Erfindung nutzt bei bekannten Lenksystemen vorhandene Lenkeinrichtungen und führt diesen gezielt neue und aufeinander abgestimmte Funktionen des Lenkens und des Simulierens von Lenkmomenten zu. Während bei bekannten Lenksystemen mit Hilfe der Servolenkeinrichtung das Bewegen von Fahrzeugrädern unterstützt wird, wird erfindungsgemäß die Servolenkeinrichtung zum Erzeugen eines für den Fahrer erlebbaren Handmomentes genutzt. Die Lenkwinkel der Fahrzeugräder werden erfindungsgemäß mit Hilfe der Lenkhandhabe eingestellt, wobei über die Überlagerungslenkung beliebige Radlenkwinkel überlagert werden können.
• Die Erfindung basiert dabei auf einer genauen Analyse der Nachteile bekannter Lenksysteme: Bekannte Zahnstangenhydrolenkungen, insbesondere Open-Center-Lenksysteme, ermöglichen weder eine freie und unabhängige Regelung eines Radlenkwinkels, noch eine freie und unabhängige Regelung eines Handmoments. Darüber hinaus ist bei Zahnstangenhydrolenkungen der Kraftstoffverbrauchsanteil selbst bei engergiesparenden Lenkhilfepumpen vergleichsweise hoch. Bekannte elektrische Servolenkungen ermöglichen ebenfalls keine freie und unabhängige Regelung eines Radlenkwinkels. Darüber hinaus ist das Leistungsvermögen von elektrischen Servolenkungen durch die Leistungsfähigkeit heutiger elektrischer 14V-Bordnetze auf Kompakt- und Mittelklassefahrzeuge ohne variable Lenkübersetzung und ohne Steer-by-Wire-Funktionalität beschränkt. Auch elektro-hydraulische Servolenkungen ermöglichen keine unabhängige Regelung von Radlenkwinkel und Handmoment. Sie weisen ebenfalls ein beschränktes Leistungsvermögen auf. Bekannte Kombinationen einer Überlagerungslenkeinrichtung mit einer Servotronic-Zahnstangenhydrolenkung bzw. einer Zahnstangen-Servolenkeinrichtung ermöglichen ebenfalls keine freie und unabhängige Regelung des Handmoments. Die Überlagerungslenkung solcher Kombinationen verursacht überdies einen hohen Kraftstoffverbrauchsanteil, da vergleichsweise größere Lenkhilfepumpen erforderlich sind.
• Erfindungsgemäß werden demgegenüber – aufbauend auf bekannten und bewährten Serien-Lenksystemen – einzelnen Teilsystemen gezielte Funktionsbereiche zugewiesen, die aufgrund einer entsprechenden erfindungsgemäßen Regelung der Teilsysteme zu einer neuen und bisher nicht gekannten Funktionalität führen. So wird gemäß der Erfindung durch die gezielte Zuordnung der Funktionalitäten "Regelung des Handmoments" und "Regelung des Radlenkwinkels" volle Steer-by-Wire-Funktionalität geschaffen.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lenksystems ist die Überlagerungslenkeinrichtung mit einem Überlagerungsgetriebe unter Beibehaltung einer mechanischen Koppelung zwischen der Lenkhandhabe und dem Lenkgetriebe gestaltet. Mit der derartigen Überlagerungslenkung wird dem vom Fahrer eingestellten Handlenkwinkel ein zusätzlicher Lenkwinkel überlagert. Eine solche mechanische Koppelung ist insbesondere bei einem Ausfall der fremdgesteuerten Funktionen des erfindungsgemäßen Lenksystems aus sicherheitstechnischen Gründen wünschenswert.
• Die erfindungsgemäße Servolenkeinrichtung ist vorteilhaft mit einer von einem Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs angetriebenen Pumpe versehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine von einem separaten Elektromotor angetriebene Lenkhilfepumpe vorgesehen sein.
• Damit der für den Antrieb der Lenkhilfepumpe erforderliche Kraftstoffverbrauchsanteil vergleichsweise gering ist, sollte der Förderstrom der Pumpe bedarfsgerecht geregelt werden. Eine solche bedarfsgerechte Regelung kann besonders vorteilhaft mittels einer Kupplung zwischen Pumpe und Antriebsaggregat, einer By-Pass-Ventil, einer Saugregelung und/oder einer Förderleistungs-Verstelleinrichtung geschehen.
• So liegt eine weitere zusätzliche oder alternative Möglichkeit der Reduzierung des anteiligen Kraftstoffverbrauchs darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem eine als Verstellpumpe ausgebildete Pumpe mit verstellbarer Förderleistung vorgesehen wird. Eine solche Pumpe kann bedarfsgerecht in ihrer Förderleistung und damit in ihrer Leistungsaufnahme geregelt werden.
• Die Servolenkeinrichtung sollte ferner vorteilhaft mit einem von einer Pumpe versorgten Druckspeicher versehen sein, so dass starke Druckschwankungen vermieden sind und das Lenksystem beispielsweise auch bei einem Stillstand des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs zumindest über eine gewisse Zeitdauer wie gewünscht betrieben werden kann. Mit dieser Funktion können beispielsweise nach einem Einparken des Kraftfahrzeugs und einem Abstellen von dessen Antriebsmotor noch die Räder in Geradeaus-Stellung gelenkt werden.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäß vorgesehene und in einem Lenksystem integrierte Servolenkeinrichtung gemäß dem Closed-Center-Prinzip mit einem vollständig absperrbaren Servoantrieb versehen ist. Mit einer solchen Servolenkeinrichtung gemäß dem Closed-Center-Prinzip ist im Vergleich zu bekannten Zahnstangenhydrolenkungen eine erhebliche Verringerung des Kraftstoffverbrauchsanteils möglich. Bei einem Closed-Center-Lenksystem ermöglicht es ein Speicher, dass für eine bestimmte Zeit auch bei ausgeschalteter Servo-Pumpe mit Servo-Unterstützung gelenkt werden kann. Es können ferner hohe Lenkleistungen erbracht werden, so dass das Lenksystem für alle Fahrzeugtypen genutzt werden kann.
• Das Absperren des Servoantriebs kann auf verschiedene vorteilhafte Arten, z.B. mit einem verstellbaren Wegeventil mit geringer Leckage in Neutralstellung oder mit einem Drehventil mit geringer Leckage in Neutralstellung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Sitzventils, welches dann als elektrisch verstellbares Sitzventil mit oder ohne hydraulische Vorsteuerung oder als Sitzventil mit elektrisch verstellbarer hydraulischer Vorsteuerung gestaltet sein kann.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenksystems anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenksystems.
• In 1 ist eine Lenksystem 10 für ein weiter nicht veranschaulichtes Kraftfahrzeug in Gestalt eines Personenkraftwagens veranschaulicht.
• Das Lenksystem 10 wird über eine Lenkhandhabe 12 in Form eines Lenkrades von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs betätigt. Dabei wird von dem Fahrer grundsätzlich ein Handwinkel und ein Handmoment auf ein Lenkgetriebe 14 übertragen, von dem aus eine Zahnstange bzw. ein Lenkgestänge 16 betätigt und damit lenkbare Räder 18 des Kraftfahrzeugs bewegt werden.
• Das Lenksystem 10 ist mit einer hydraulischen Servolenkeinrichtung 20 versehen, bei der an dem Lenkgestänge 16 ein Gleichlaufzylinder 22 mit einer ersten und einer zweiten Kammer 24 bzw. 26 für Hydraulikfluid vorgesehen ist. Zwischen den Kammern 24 und 26 ist ein verschiebbar gelagerter Kolben 28 angeordnet, der mit dem Lenkgestänge 16 kraftübertragend gekoppelt ist. In einer Verbindungsleitung zwischen den Kammern 24 und 26 ist eine Druckmesseinrichtung 30 angeordnet, um den Differenzdruck zwischen den Kammern 24 und 26 zu ermitteln.
• Aus der ersten Kammer 24 ist eine erste hydraulische Leitung 32 und aus der zweiten Kammer 26 eine zweite hydraulische Leitung 34 zu einem elektromagnetisch fernsteuerbaren 4/4-Wegeventil 36 geführt. An dem 4/4-Wegeventil 36 sind ferner eine dritte hydraulische Leitung 38 sowie eine vierte hydraulische Leitung 40 angeschlossen. Diese hydraulische Leitung 40 ist zu einem Vorratsbehälter 42 geführt, während an der Leitung 38 mittels einer Lenkhilfepumpe 44 in Gestalt einer Konstantpumpe oder einer Verstellpumpe bedarfgerecht hydraulischer Druck erzeugt werden kann.
• Die Lenkhilfepumpe 44 wird dazu über eine fernsteuerbar zu betätigende Kupplung 46 von einem Antriebsaggregat 48 in Form eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs angetrieben. Die Lenkhilfepumpe 44 saugt dann aus dem oben erwähnten Vorratsbehälter 42 Hydaulikfluid an und fördert dieses durch ein Rückschlagventil 50 zu einem elektromagnetisch fernsteuerbaren Absperrventil 52. Vor dem Absperrventil 52 zweigt eine hydraulische Leitung zu einem Druckspeicher 54 ab, an der ferner einer Drucksensor 56 angeordnet ist. Bei geschlossenem Absperrventil 52 wird daher vorwiegend der Druckspeicher 54 mit Hydraulikfluid versorgt, während bei offenem Absperrventil 52 in der dritten Leitung 38 Druck bereitgestellt wird. An der Druckseite der Lenkhilfepumpe 44 ist ferner ein Überdruckventil 58 angeordnet, welches durch eine zugehörige hydraulische Leitung zu der vierten Leitung 40 und damit zum Vorratsbehälter 42 führt.
• Neben der Servolenkeinrichtung 20 ist bei dem Lenksystem 10 ferner eine Überlagerungslenkeinrichtung 60 vorgesehen, die insbesondere mittels eines Überlagerungsgetriebes 62 ausgebildet ist. Das Überlagerungsgetriebe 62 ist in einer Lenksäule 64 zwischen der Lenkhandhabe 12 und dem Lenkgetriebe 14 zwischengeschaltet und wird von einem Elektromotor 66 angetrieben.
• Als weitere Bauelemente sind an dem Lenksystem 10 im Bereich der Lenksäule 64 eine Winkelmesseinrichtung 68 und eine Momentenmesseinrichtung 70 sowie ein elektronisches Steuergerät 72 vorgesehen. Das Steuergerät 72 ist über gestrichelt dargestellte Leitungen insbesondere mit den Messeinrichtungen 68 und 70, der Druckmesseinrichtung 30, dem Drucksensor 56 sowie dem 4/4-Wegeventil 36 und dem Absperrventil 52 betrieblich verbunden.
• Mit dem Lenksystem 10 und der zugehörigen Servolenkeinrichtung 20 sowie der Überlagerungslenkeinrichtung 60 ist insgesamt eine volle Steer-by-Wire-Funktionalität auf der Basis eines Closed-Center-Servosystems realisiert. Bei dem Lenksystem 10 wird dazu mit dem Überlagerungslenksystem 60 ein auf der Grundlage der an den Messeinrichtungen 68 und 70 ermittelten Winkel- und Momentenwerte sowie auf Basis weiterer fahrdynamischer Größen des zu steuernden Kraftfahrzeugs mit dem Steuergerät 72 ein erforderlicher Lenkwinkel vorbestimmt. Der Lenkwinkel wird dann durch entsprechende Einflussnahme auf die Überlagerungslenkeinrichtung 60 und deren Überlagerungsgetriebe 62 eingestellt.
• Um zugleich dem Fahrer des Fahrzeugs ein vom eingestellten Radlenkwinkel unabhängiges Handmoment in Form eines Unterstützungs- oder Gegenmoments vorgeben zu können, wird durch das Steuergerät 72 und die Servolenkeinrichtung 20 sowie deren Gleichlaufzylinder 22 eine Kraft an dem Lenkgetriebe 14 erzeugt, die dann über die Lenksäule 64 als Handmoment an den Fahrer übermittelt wird.
• Bei dieser Steuerung bzw. Regelung des Lenksystems 10 wird die Servolenkeinrichtung 20 gemäß dem Closed-Center-Prinzip betrieben, so dass die Lenkhilfepumpe 44 jeweils bedarfsgerecht in den Druckspeicher 54 oder die dritte Leitung 38 fördert und ansonsten möglichst stillgesetzt wird. Auf diese Weise kann das Lenksystem 10 insgesamt mit einem vergleichsweise niedrigem Kraftstoffverbrauchsanteil betrieben werden.

10

Lenksystem

12

Lenkhandhabe

14

Lenkgetriebe

16

Lenkgestänge

18

Rad

20

Servolenkeinrichtung

22

Gleichlaufzylinder

24

erste Kammer

26

zweite Kammer

28

Kolben

30

Druckmesseinrichtung

32

erste Leitung

34

zweite Leitung

36

4/4-Wegeventil

38

dritte Leitung

40

vierte Leitung

42

Vorratsbehälter

44

Lenkhilfepumpe

46

Kupplung

48

Antriebsaggregat

50

Rückschlagventil

52

Absperrventil

54

Druckspeicher

56

Drucksensor

58

Überdruckventil

60

Überlagerungslenkeinrichtung

62

Überlagerungsgetriebe

64

Lenksäule

66

Elektromotor

68

Winkelmesseinrichtung

70

Momentenmesseinrichtung

72

Steuergerät

Claims (9)

1. Lenksystem (10) für ein insbesondere zweispuriges Kraftfahrzeug mit einer Lenkhandhabe (12) zum Vorgeben eines Handmoments eines Fahrers des Kraftfahrzeugs an einem Lenkgetriebe (14), welches zum Einstellen eines Radlenkwinkels am Kraftfahrzeug dient, einer Servolenkeinrichtung (20) zum zusätzlichen Einleiten eines im Betrag variablen Servo-Moments an dem Lenkgetriebe (14) und einer Überlagerungslenkeinrichtung (60) zum Überlagern eines im Betrag variablen Überlagerungswinkels an dem Lenkgetriebe (14), dadurch gekennzeichnet, dass mit der Überlagerungslenkeinrichtung (60) die Funktion "Regelung des Radlenkwinkels" und mit der Servolenkeinrichtung (20) die Funktion "Regelung des Handmomentes" ausgeführt wird.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungslenkeinrichtung (60) mit einem Überlagerungsgetriebe (62) unter Beibehaltung einer mechanischen Koppelung zwischen der Lenkhandhabe (12) und dem Lenkgetriebe (14) gestaltet ist.
3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Servolenkeinrichtung (20) mit einer von einem Antriebsaggregat (48) des Kraftfahrzeugs angetriebenen Pumpe (44) versehen ist.
4. Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (44) mittels einer Kupplung (46) mit dem Antriebsaggregat (48) gekoppelt ist.
5. Lenksystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (44) als Verstellpumpe mit verstellbarer Förderleistung gestaltet ist.
6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Servolenkeinrichtung (20) mit einem von einer Pumpe (44) versorgten Druckspeicher (54) versehen ist.
7. Lenksystem nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Servolenkeinrichtung (20) gemäß dem Closed-Center-Prinzip mit einem vollständig absperrbaren Servoantrieb versehen ist.
8. Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Absperren des Servoantriebs ein Sitzventil vorgesehen ist.
9. Verwendung eines Lenksystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug.