DE20305308U1

DE20305308U1 - Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug

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Publication number: DE20305308U1
Application number: DE20305308U
Authority: DE
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JP2006521955A; EP1608544A1; WO2004087486A1

Description

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TRW Fahrwerksysteme GmbH & Co. KG
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40547 Düsseldorf

Tl0547 DE

JS /Gl 1. April 2003

Lenksystem für ein Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem mechanischen Lenkstrang, der in einen oberen, mit einem Lenkrad verbundenen Lenkstrangteil und einen unteren Lenkstrangteil unterteilt ist, der mit einer Servolenkeinrichtung verbunden ist, welche ein Lenkgetriebe umfaßt.

Bei konventionellen Lenksystemen mit mechanischem Lenkstrang, d.h. mit einer festen mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe, besteht ein festes Verhältnis zwischen dem vom Fahrer eingebrachten Lenkradwinkel und dem Einschlagwinkel der Räder. Mit Hilfe einer Überlagerungslenkung kann dieses Verhältnis frei gestaltet werden, indem dem Lenkradwinkel ein Zusatzlenkwinkel überlagert wird, so daß der tatsächliche Einschlagwinkel der Räder (Gesamtlenkwinkel) größer oder kleiner als der Lenkradwinkel sein kann. Der Zusatzlenkwinkel wird dabei situationsabhängig aus verschiedenen Fahrzeugzustandsgrößen berechnet. Ziele dieser aktiven Lenkwinkelbeeinflussung sind ein gesteigerter Fahrkomfort sowie eine verbesserte Fahrstabilität im Grenzbereich, die durch eine variable Lenkübersetzung und eine verbesserte Agilität durch Vorhaltelenken erreicht werden. Mit einer Überlagerungslenkung ist auch eine autonome Parkierfunktion realisierbar, bei der ein automatisches Lenken ohne Fahrereingriff erfolgt.

Es sind unterschiedliche Ausführungen von Überlagerungslenkungen bekannt, wobei in den meisten Systemen ein in den Lenkstrang eingefügtes Getriebe mit

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zwei Eingängen und einem Ausgang verwendet wird. An einem Eingang liegt der Lenkradwinkel, am anderen Eingang der von einem Motor bereitgestellte Zusatzlenkwinkel an, und der Getriebeausgang ist an das Lenkgetriebe gekoppelt. Diese Ausführungen sind mechanisch sehr aufwendig, insbesondere aufgrund der erforderlichen zahlreichen Zahneingriffe. Zudem besteht das Problem, daß zwar der tatsächliche Einschlagwinkel der Räder vom Lenkraddrehwinkel abweichen kann, aber das gesamte Lenkmoment, das im wesentlichen von einem Torsionsstab des Zahnstangenservolenkgetriebes erzeugt wird, am Lenkrad anliegt. Es besteht also kein fester Zusammenhang zwischen dem Lenkradwinkel und dem Lenkradmoment, was vom Fahrer als irritierend wahrgenommen werden kann. Dieses Problem kann nur dadurch gelöst werden, daß das Lenkmoment unter Verwendung einer Parameterlenkung oder eines zusätzlichen Momentenaktuators ebenfalls geregelt wird, was sowohl die Komplexität als auch die Kosten eines solchen Servolenksystems weiter erhöht. Die Verwirklichung einer autonomen Parkierfunktion ohne Fahrereingriff erfordert zudem ein Abbremsen eines Getriebeeingangs.

Die Überlagerung des Lenkradwinkels und eines Zusatzlenkwinkels ist auch in einem reinen Steer-by-Wire-Lenksystem realisierbar. Aufgrund der fehlenden mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe bestehen jedoch sehr hohe Anforderungen an die Ausfallsicherheit.

Die Erfindung schafft eine Überlagerungslenkung, die unter Vermeidung der oben genannten Probleme eine unabhängige Regelung von Gesamtlenkwinkel und Lenkradmoment ermöglicht.

Bei einem Lenksystem der eingangs genannten Art wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen dem oberen Lenkstrangteil und dem unteren Lenkstrangteil eine Kupplung vorgesehen ist, wobei die beiden Lenkstrangteile in einem geschlossenen Zustand der Kupplung drehfest miteinander verbunden und in einem offenen Zustand der Kupplung voneinander entkoppelt sind. Die vollständige physikalische Trennung des Lenkstrangs in einen oberen und einen unteren Teil erlaubt einerseits wie bei einer herkömmlichen Überlagerungs-

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lenkung das Aufbringen eines Gesamtlenkwinkels auf den unteren Lenkstrangteil, der vom Lenkradwinkel abweichen kann. Andererseits kann dem Fahrer durch entsprechende Beeinflussung des oberen Lenkstrangteils ein angemessenes Lenkradmoment vermittelt werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß durch Schließen der Kupplung eine starre mechanische Verbindung der beiden Lenkstrangteile entsteht, so daß bei Bedarf, z.B. bei einer Störung der elektrischen Systeme, auf eine konventionelle Lenkung mit durchgehender mechanischer Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe zurückgegriffen werden kann.

Die Erfindung ist besonders geeignet für Fahrzeuge, bei denen die Servolenkeinrichtung eine hydraulische Servolenkeinrichtung ist, die ferner eine Ölpumpe zur Bereitstellung einer hydraulischen Unterstützungskraft umfaßt. Der Kraftaufwand zur Drehung des unteren Lenkstrangteils ist in diesem Fall relativ gering, da der untere Lenkstrangteil lediglich ein Lenkmoment als Eingangsgröße fur das Lenkgetriebe der hydraulischen Servolenkeinrichtung liefern muß. Die tatsächliche Kraft zum Einschlagen der Räder wird mit Unterstützung der Ölpumpe der Servolenkeinrichtung aufgebracht.

Beim erfindungsgemäßen Lenksystem ist vorzugsweise eine Steuereinheit vorgesehen, mit der wichtige Funktionen des Lenksystems umgesetzt werden können.

Die Beeinflussung des Lenkradmoments erfolgt vorzugsweise durch eine am

oberen Lenkstrangteil vorgesehene erste, mit der Steuereinheit verbundene Antriebseinheit zur Drehung des oberen Lenkstrangteils. Durch entsprechende Ansteuerung dieser Antriebseinheit kann dem Fahrer ein an den aktuellen Gesamtlenkwinkel angepaßtes Lenkradmoment vermittelt werden.

Dementsprechend kann am unteren Lenkstrangteil eine zweite, mit der Steuereinheit verbundene Antriebseinheit zur Drehung des unteren Lenkstrangteils vorgesehen sein. Somit läßt sich über die zweite Antriebseinheit der

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berechnete Gesamtlenkwinkel einstellen, ohne daß hierfür ein aufwendiges Summengetriebe erforderlich ist.

Zur Berechnung des Lenkradmoments und des Gesamtlenkwinkels ist es zweckmäßig, daß am oberen Lenkstrangteil wenigstens ein erster, mit der Steuereinheit verbundener Sensor zur Erfassung eines Lenkradwinkels und/oder eines auf das Lenkrad wirkenden Lenkmoments, bzw. daß am unteren Lenkstrangteil wenigstens ein zweiter, mit der Steuereinheit verbundener Sensor zur Erfassung eines am Lenkgetriebe anliegenden Lenkwinkels und/oder eines am Lenkgetriebe anliegenden Lenkmoments angeordnet ist.

Die Ausfallsicherheit des erfindungsgemäßen Lenksystems kann dadurch erhöht werden, daß die Kupplung in den geschlossenen Zustand vorgespannt ist. Vorzugsweise ist die Kupplung eine über die Steuereinheit ansteuerbare elektromagnetische Kupplung, die gegen die Vorspannung in den geöffneten Zustand gebracht werden kann. Somit ist sichergestellt, daß bei einem Elektrizitätsausfall oder dergl. sofort eine starre Lenkstrangverbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe hergestellt wird.

Die Anpassung bzw. Beeinflussung der Lenkung kann dadurch verbessert werden, daß die Steuereinheit mit weiteren Sensoren in Verbindung steht, die Daten bezüglich bestimmter Fahrzeugzustandsgrößen an die Steuereinheit übergeben.

Die Kupplung, die Antriebseinheiten und die Sensoren können zu einer Aktuatoreinheit zusammengefaßt sein, wobei eine Integration der Aktuatoreinheit in eine Lenksäule des Lenkstrangs ohne übermäßigen Aufwand umsetzbar ist. Alternativ können die Kupplung, die erste Antriebseinheit und der erste Sensor zu einer Aktuatoreinheit und die zweite Antriebseinheit und der zweite Sensor zu einer separaten Baugruppe zusammengefaßt werden, wobei die Aktuatoreinheit in eine Lenksäule des Lenkstrangs integriert und die Baugruppe an die Servolenkeinrichtung angeflanscht werden kann.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- Figur 1 eine schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Lenksystems;

- Figur 2 ein erfindungsgemäßes Lenksystem im eingebauten Zustand gemäß einer ersten Ausfuhrungsform; und

- Figur 3 ein erfindungsgemäßes Lenksystem im eingebauten Zustand gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Das in Figur 1 dargestellte Lenksystem umfaßt einen Lenkstrang, der in einen oberen, mit einem Lenkrad (in Figur 1 nicht gezeigt) verbundenen Lenkstrangteil 10 und einen unteren, mit einem Lenkgetriebe einer hydraulischen Servolenkeinrichtung (in Figur 1 nicht gezeigt) verbundenen Lenkstrangteil unterteilt ist. Zwischen einer oberen Welle 14 des oberen Lenkstrangteils 10 und einer unteren Welle 16 des unteren Lenkstrangteils 12 ist eine Kupplung 18 angeordnet, die im geschlossenen Zustand eine drehfeste Verbindung zwischen der oberen und der unteren Welle 14 bzw. 16 (und damit zwischen den beiden Lenkstrangteilen 10, 12) herstellt und im offenen Zustand die beiden Lenkstrangteile 10, 12 voneinander entkoppelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kupplung 18 eine elektromagnetische Kupplung, die über eine Feder 20 in den geschlossenen Zustand vorgespannt ist. Mittels einer Spule 22 kann die Kupplung 18 gegen die Kraft der Feder 20 geöffnet werden.

Die obere Welle 14 kann über das Lenkrad und zusätzlich über eine erste Antriebseinheit 24 gedreht werden, die ein erstes Getriebe 26 und einen ersten Antriebsmotor 28 umfaßt. Die untere Welle 16 kann - abgesehen von einer Drehung mit der oberen Welle 14 im geschlossenen Zustand der Kupplung 18 über eine zweite Antriebseinheit 30 gedreht werden, die ein zweites Getriebe 32 und einen zweiten Antriebsmotor 34 umfaßt. Die zweite Antriebseinheit 30 liefert ein Lenkmoment als Eingangsgröße für die hydraulische Servolenkeinrichtung,

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das in der Größenordnung eines üblicherweise vom Fahrer über das Lenkrad eingebrachten Lenkmoments liegt. Die beiden Getriebe 26, 32 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als nicht selbsthemmende Schneckengetriebe ausgeführt; es können aber auch, z.B. bedingt durch die Einbaulage der Motoren 28, 34, andere geeignete nicht selbsthemmende Getriebe vorgesehen sein.

Am oberen Lenkstrangteil 10 ist ein erster Sensor 36 zur Detektierung des Lenkradwinkels sowie des auf das Lenkrad wirkenden Lenkmoments vorgesehen. Ein zweiter Sensor 38 am unteren Lenkstrangteil 12 erfaßt den aktuellen, am Lenkgetriebe der hydraulischen Servolenkeinrichrung anliegenden Lenkwinkel und das aktuelle, am Lenkgetriebe anliegende Lenkmoment. Mit den Daten der Sensoren 36, 38 können auch die zeitlichen Änderungen der erfaßten Größen bestimmt werden. Das Lenksystem umfaßt ferner eine Steuereinheit 40, die mit der Spule 18, den Motoren 28, 34 und den Sensoren 36, 38 verbunden ist. Außerdem steht die Steuereinrichtung 40 mit weiteren Sensoren 42 in Verbindung, die Daten bezüglich weiterer Fahrzeugzustandsgrößen wie z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Gierrate, Querbeschleunigung, Bremsendrücke etc. an die Steuereinheit 40 übergeben.

Im Normalbetrieb des Lenksystems sind die beiden Lenkstrangteile 10, 12 voneinander getrennt, d.h. die Spule 18 ist erregt und hält die Kupplung 18 gegen die Kraft der Feder 20 im offenen Zustand. Vom ersten Sensor 36 wird der vom Fahrer über das Lenkrad auf die obere Welle 14 übertragene Lenkradwinkel detektiert und an die Steuereinheit 40 weitergegeben. Die Steuereinheit 40 berechnet aus hinterlegten Kennfeldern, den diversen Fahrzeugzustandsgrößen sowie den vom zweiten Sensor 38 erfaßten aktuellen Lenkwinkel- und Lenkmomentdaten ein an den aktuellen Betriebszustand angepaßtes Lenkradmoment und steuert den ersten Motor 28 entsprechend an, um das berechnete Lenkradmoment auf die obere Welle 14 aufzubringen. Gleichzeitig steuert die Steuereinheit 40 den zweiten Motor 34 an, um einen Gesamtlenkwinkel auf die hydraulische Servolenkeinrichrung aufzubringen, der, abhängig von der aktuellen Fahrsituation und der Regelstrategie des Lenksystems, vom Lenkradwinkel

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abweichen kann. Wie bereits erwähnt, erzeugt der zweite Motor 34 dabei lediglich ein Lenkmoment, das in der Größenordnung des vom Fahrer über das Lenkrad eingebrachten Lenkmoments liegt. Das tatsächlich auf die Räder wirkende Moment wird mit hydraulischer Unterstützung der Servolenkeinrichtung bereitgestellt.

Im Falle einer Störung oder eines von der Steuereinheit 40 diagnostizierten Systemfehlers wird die Kupplung 18 geschlossen, und die Motoren 28, 34 werden nicht angesteuert. Es besteht dann, wie in konventionellen Lenksystemen, eine feste mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe, so daß eine unbeeinflußte Lenkung (ohne Überlagerung eines Zusatzlenkwinkels) gewährleistet ist. Vom Fahrer werden in diesem Fall die Massenträgheitsmomente der beiden Motoren 28, 34 sowie die Reibung der beiden Getriebe 26, 32 und der Lagerung der Kupplung 18 als zusätzliches dynamisches oder statisches Lenkmoment wahrgenommen. Die Auswirkung dieser Lasten kann jedoch durch eine stark unterstützende Auslegung der Ventilkennlinie der hydraulischen Servolenkung zumindest teilweise kompensiert werden. Die Sicherstellung der konventionellen Lenkfunktion erfordert eine nicht selbsthemmende Auslegung der Getriebe 26, 32.

Unter der Voraussetzimg, daß die Störung bzw. der Systemfehler unkritisch ist und einer der Sensoren 36, 38 sowie einer der Motoren 28; 34 einwandfrei arbeiten, ist es möglich, durch Ansteuern des funktionsfähigen Motors die zusätzliche Reibung und Trägheit zu kompensieren. Darüber hinaus ist in diesem Fall eine eingeschränkte Systemfunktion mit einer Lenkmomentenüberlagerung sowie ein autonomes Parkieren weiterhin möglich.

In Figur 2 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenksystems dargestellt, bei dem die Kupplung 18, die Antriebseinheiten 24, 30 und die Sensoren 36, 38 zu einer Aktuatoreinheit 44 zusammengefaßt. Die Aktuatoreinheit 44 ist im Lenkstrang in eine sich an das Lenkrad 48 anschließende Lenksäule 46 integriert. Gemäß einer nicht gezeigten Variante der ersten

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Ausführungsform ist die Aktuatoreinheit 44 an die hydraulische Servolenkeinrichtung 50 angebunden.

Bei der in Figur 3 gezeigten zweiten Ausführungsform sind nur die Kupplung

18, die erste Antriebseinheit 24 und der erste Sensor 36 zu einer Aktuatoreinheit 52 zusammengefaßt und in die Lenksäule 46 integriert. Die zweite Antriebseinheit 30 und der zweite Sensor 38 sind als separate Baugruppe 54 an die hydraulische Servolenkeinrichtung 50 angeflanscht.

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Claims

1. Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einem mechanischen Lenkstrang, der in einen oberen, mit einem Lenkrad (48) verbundenen Lenkstrangteil (10) und einen unteren Lenkstrangteil (12) unterteilt ist, der mit einer Servolenkeinrichtung (50) verbunden ist, welche ein Lenkgetriebe umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Lenkstrangteil (10) und dem unteren Lenkstrangteil (12) eine Kupplung (18) vorgesehen ist, wobei die beiden Lenkstrangteile (10, 12) in einem geschlossenen Zustand der Kupplung (18) drehfest miteinander verbunden und in einem offenen Zustand der Kupplung (18) voneinander entkoppelt sind.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servolenkeinrichtung (50) eine hydraulische Servolenkeinrichtung ist, die ferner eine Ölpumpe zur Bereitstellung einer hydraulischen Unterstützungskraft umfaßt.

3. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (40) vorgesehen ist.

4. Lenksystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Lenkstrangteil (10) eine erste, mit der Steuereinheit (40) verbundene Antriebseinheit (24) zur Drehung des oberen Lenkstrangteils (10) vorgesehen ist.

5. Lenksystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Lenkstrangteil (12) eine zweite, mit der Steuereinheit (40) verbundene Antriebseinheit (30) zur Drehung des unteren Lenkstrangteils (12) vorgesehen ist.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Lenkstrangteil (10) wenigstens ein erster, mit der Steuereinheit (40) verbundener Sensor (36) zur Erfassung eines Lenkradwinkels und/oder eines auf das Lenkrad (48) wirkenden Lenkmoments angeordnet ist.

7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Lenkstrangteil (12) wenigstens ein zweiter, mit der Steuereinheit (40) verbundener Sensor (38) zur Erfassung eines am Lenkgetriebe anliegenden Lenkwinkels und/oder eines am Lenkgetriebe anliegenden Lenkmoments angeordnet ist.

8. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18) in den geschlossenen Zustand vorgespannt ist.

9. Lenksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18) eine über die Steuereinheit (40) ansteuerbare elektromagnetische Kupplung ist, die gegen die Vorspannung in den geöffneten Zustand gebracht werden kann.

10. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (40) mit weiteren Sensoren (42) in Verbindung steht, die Daten bezüglich bestimmter Fahrzeugzustandsgrößen an die Steuereinheit (40) übergeben.

11. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) so ausgelegt ist, daß sie ein an einen aktuellen Betriebszustand angepaßtes Lenkradmoment berechnet und die erste Antriebseinheit (24) ansteuert, um das Lenkradmoment auf den oberen Lenkstrangteil (10) aufzubringen.

12. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (40) so ausgelegt ist, daß sie einen einer aktuellen Fahrsituation entsprechenden Lenkwinkel berechnet und die zweite Antriebseinheit (30) ansteuert, um den Lenkwinkel auf den unteren Lenkstrangteil (12) aufzubringen.

13. Lenksystem nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18), die Antriebseinheiten (24, 30) und die Sensoren (36, 38) zu einer Aktuatoreinheit (44) zusammengefaßt sind.

14. Lenksystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoreinheit (44) in eine Lenksäule (46) des Lenkstrangs integriert ist.

15. Lenksystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoreinheit (44) an die Servolenkeinrichtung (50) angebunden ist.

16. Lenksystem nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18), die erste Antriebseinheit (24) und der erste Sensor (36) zu einer Aktuatoreinheit (52) und die zweite Antriebseinheit (30) und der zweite Sensor (38) zu einer separaten Baugruppe (54) zusammengefaßt sind, wobei die Aktuatoreinheit (52) in eine Lenksäule (46) des Lenkstrangs integriert und die Baugruppe (54) an die Servolenkeinrichtung (50) angeflanscht ist.