DE3908218C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkeinrichtung für ein Motorfahrzeug und geht aus von einer Servolenkeinrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gemäß der DE 37 11 854 A1.

Eine typische hydraulische Servolenkeinrichtung umfaßt z. B. eine motorgetriebene Pumpe, ein Strömungssteuerventil zum Steuern des Strömungsdurchsatzes vom hydraulischen Fluid, das unter Druck von der Pumpe gefördert wird, ein Lenksteuerventil und einen hydraulischen Zylinder zur Lenkung der Räder des Fahrzeugs mittels unter Druck stehenden Fluids durch das Lenksteuerventil.

Beim Versuch der Anwendung einiger zusätzlicher Lenksteuerfunktionen auf hydraulische Servolenkeinrichtungen des obigen grundsätzlichen Aufbaus stieß man auf Schwierigkeiten. Solche zusätzlichen Funktionen schließen die automatische Rückholung des Lenkrades in die Geradeausstellung ein, wenn hierauf keine Lenkkraft ausgeübt wird. Ferner umfassen diese zusätzlichen Funktionen die Steuerung der Lenkkraft, die auf das Lenkrad auszuüben ist, in Übereinstimmung mit der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs oder der Lateralbeschleunigung. Üblicherweise erfordern solche zusätzlichen Änderungen bedeutende Modifikationen der hydraulischen Leitungsführung und die zusätzliche Anordnung von Antriebsmitteln und Ventilen, wodurch sich der Kostenaufwand erhöht. Die entwickelten Lenksysteme sind teurer und komplexer geworden als solche ohne zusätzliche Maßnahmen der genannten Art.

Die eingangs erwähnte DE 37 11 854 A1 steuert die Lenkradrückholung in die Geradausstellung so, daß Überschwingen bei hoher Geschwindigkeit infolge großer Reaktionskräfte von den Rädern vermieden wird. An einer über ein Gelenk mit der Lenkwelle verbundenen Ritzelwelle sind ein Lenkdrehungssensor und ein Drehmomentsensor angeordnet. Die Signale dieser Sensoren sowie eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors werden einer Steuereinheit zugeführt, die während der Rückstellbewegung die Drehzahl des Motors zum Antrieb der mit der Ritzelwelle zusammenwirkenden Zahnstangenwelle bei ansteigender Lenk- sowie Fahrzeuggeschwindigkeit begrenzt und so ein Überschwingen bei der Rückstellbewegung verhindert. Will man die Rückstellbewegung z. B. auch in Abhängigkeit der Quer- oder Lateralbeschleunigung steuern, so muß die Ansteuerung des Motors dieser elektromotorischen Servolenkvorrichtung weiter modifiziert werden.

Derartige Maßnahmen sind in der nicht vorveröffentlichten älteren Anmeldung DE 38 19 513 A1 vorgeschlagen, in der dem Antriebsmotor der Zahnstangen/Ritzelanordnung einer elektromotorischen Servovorrichtung ein Summensignal zugeführt wird, das unter anderem einen Beitrag der Lateralbeschleunigung enthält, um mit wachsender Lateralbeschleunigung das Rückholdrehmoment zu vergrößern. Das Rückholdrehmoment wird über die Zahnstange, ein Getriebe und ein Gelenk auf die Lenkwelle übertragen, die mit dem Lenkrad verbunden ist.

In der DE 35 39 107 C2 ist ebenfalls eine elektromotorische Servovorrichtung mit der Welle des Zahnstangenmechanismus für die Spurstangen der Räder vorgesehen. Diese Ausgangswelle ist mit einer Eingangswelle, welche mit der Lenkradwelle gekoppelt ist, mechanisch nicht gekoppelt. Um auf die Eingangswelle ein geeignetes Reaktionsdrehmoment auszuüben, ist ein zweiter Motor vorgesehen, dessen Motortreiber in Abhängigkeit vom Relativwinkel beider Wellen und in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit das der Eingangswelle aufgeprägte Lenkreaktionsmoment während der Lenkraddrehung verändert, wobei bei hohen Geschwindigkeiten die Lenkreaktion auf die Eingangswelle vergrößert wird und der Fahrer so beim Drehen des Lenkrades einen größeren Widerstand wahrnimmt. Auf diese Weise soll ferner die Übertragung von Störungen infolge von Drehmomentänderungen der Ausgangswelle auf die Eingangswelle verhindert werden. Maßnahmen zur Beeinflussung der Rückholbewegung, wenn auf die Eingangswelle kein Drehmoment ausgeübt wird, sind dieser Schrift nicht entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkeinrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die auf technisch einfach realisierbare Weise, ohne größere Modifikationen an einer vorhandenen hydraulischen oder andersartigen Servolenkeinrichtung zusätzliche Steuerfunktionen, insbesondere eine automatische Rückholung in die Geradausstellung gestattet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird das Rückholdrehmoment nicht über die bereits vorhandene Servovorrichtung (z. B. bestehend aus einem drehmomentgesteuerten Ventil, einer Pumpe und einem mit den Rädern verbundenen Servozylinder) erzeugt und variiert, sondern es ist stattdessen zusätzlich zur Servovorrichtung für die Lenkunterstützung direkt an der Lenkwelle und dichter am Lenkrad als der Drehmomentsensor ein elektromotorischer Antrieb vorgesehen. Dieser erzeugt zumindest in Abhängigkeit vom mit einem Lenkwinkelsensor gemessenen Lenkwinkel ein Rückholdrehmoment, das direkt auf die Lenkwelle unterhalb des Lenkrades ausgeübt wird. Auch die anderen Fahrbedingungen wie Lateralbeschleunigung, Lenkgeschwindigkeit und Fahrzeuggeschwindigkeit können so bei der Rückholung berücksichtigt werden, ohne daß die ursprüngliche Servovorrichtung hydraulischer oder elektromotorischer Art zu modifizieren wäre. Der unterhalb des elektromotorischen Antriebs sitzende Drehmomentsensor (z. B. ein Steuerventil einer hydraulischen Servovorrichtung) spricht auf das auf die Lenkwelle ausgeübte Rückholmoment an, so daß die Rückführung in die Geradausstellung ohne Verzögerung und sehr leicht auch bei stehendem Fahrzeug erfolgt.

Durch die direkte Einwirkung auf die Lenkwelle bei der Rückführung werden Verzögerungen infolge des Spiels zwischen Zahnstange, Ritzel und der weiteren Getriebeteile unterhalb der Lenkwelle vermieden, wie sie beim Stand der Technik auftreten, bei dem der Motor der eigentlichen Servovorrichtung selbst für den Rückholvorgang gesteuert wird.

Der zusätzliche elektromotorische Antrieb kann ohne großen technischen Aufwand bei jeder Servoeinrichtung an der Lenkwelle angebracht werden, um Korrekturen bei der Lenkung, insbesondere die automatische Rückholung bei Fahrt und Stillstand durch direkte Einwirkung auf die Lenkwelle zu ermöglichen. Selbst wenn dieser zusätzliche Antrieb einmal ausfällt, bleibt die ursprünglich vorhandene Servoeinrichtung ohne diese Zusatzfunktionen voll funktionsfähig, da an ihr keine Modifikationen erforderlich sind.

Vorzugsweise ist die Steuerschaltung zusätzlich mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor verbunden, der die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs erfaßt. Die Steuerschaltung steuert den elektromotorischen Antrieb dann sowohl in Abhängigkeit vom Lenkwinkel als auch der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Gemäß einer Weiterbildung steuert die Steuerschaltung das durch den elektromotorischen Antrieb auf die Lenkwelle ausgeübte Rückholdrehmoment auch in Abhängigkeit von der Lateralbeschleunigung, wodurch ein optimales Lenkvermögen für alle möglichen Fahrbedingungen gewährleistet wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Servolenkeinrichtung mit den prinzipiellen Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem auf das Lenkrad ausgeübten Rückholdrehmoment und dem Drehwinkel in der Servolenkeinrichtung nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Rückholdrehmoment und der Fahrzeuggeschwindigkeit, wie sie in Fig. 1 erfaßt wird, darstellt;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem auf das Lenkrad in eine der Richtung dessen Drehung entgegengesetzten Richtung ausgeübten Drehmoment und der gemäß Fig. 1 erfaßten Lenkgeschwindigkeit zeigt; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Rückholdrehmoment und der Lateralbeschleunigung in Fig. 1 zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird nun detailliert an Hand einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, in dem sie auf eine hydraulische Servolenkeinrichtung angewandt ist, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Bezugszahl 1 in dieser Figur bezeichnet ein Lenkrad, das mit einer Lenkwelle oder Lenkspindel 2 zum Lenken eines Vorderrades 3 verbunden ist. Die Lenkwelle 2 ist drehbar mit den Vorderrädern 3 über ein Lenksteuerventil 4 und einen Kraft- oder Servo­ zylinder 6 verbunden. Das Steuerventil 4 dient als Drehmomentsensor, der steuerbar durch das Torsionsdreh­ moment oder kurz Drehmoment betätigt wird, das auf die Lenkwelle 2 mittels des Lenkrades 1 übertragen wird. Auf diese Weise betätigt, liefert das Steuer­ ventil 4 Fluid aus einer Pumpe 5 in die Kammer des Servozylinders 6.

Die Lenkwelle 2 ist darüber hinaus mit einem elektrischen Antrieb 7 versehen, der gemäß der Erfindung in Form einer elektrischen Motorantriebs­ einheit, ergänzt durch einen Geschwindigkeitsreduzierer, d. h. ein Reduktionsgetriebe, ausgebildet ist. Der Antrieb 7 steuert das Ausmaß oder den Wert des Hilfsdrehmoments auf die Lenkwelle 2. Eine Steuer­ schaltung 10 ist an den Antrieb 7 ange­ schlossen.

Ferner sind an die Steuerschaltung 10 ein Fahr­ zeuggeschwindigkeitssensor 8 und ein Lenkwinkelsensor 9 angeschlossen. Der Lenkwinkelsensor 9 ist an der Lenk­ welle 2 angebracht, um den Drehwinkel des Lenkrades 1 aus der Geradeausstellung heraus zu erfassen. Die Steuerschaltung 10 steuert den Betrieb des Antriebs 7, und es wird infolgedessen auf die Lenk­ welle 2 ein Drehmoment in Übereinstimmung mit den Aus­ gangssignalen des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 8 und des Drehwinkelsensors 9 ausgeübt.

Die Fig. 2 zeigt das Rückholdrehmoment als Funktion des Lenkwinkels. Die Kurve V₀ gibt das mittels des Antriebs 7 in eine Richtung zum Rückdrehen oder Rückführen des Lenkrades 1 in die Geradeausstellung auf die Lenkwelle 2 ausgeübte Drehmoment als Funktion des Lenkwinkels für eine der beiden möglichen Richtungen für den Fall an, in dem das Fahrzeug steht. Aus dieser Darstellung geht hervor, daß das Rückholdrehmoment proportional zum Lenkwinkel R ansteigt, wenn das Lenkrad 1 aus der Geradeausstellung, d. h. der nach vorn gerichteten Lenkstellung, über einen vorbestimmten Winkel R₀ heraus­ gedreht wird. Daraufhin wird, wenn der Lenkwinkel diesen vorbestimmten Winkel R₀ überschreitet, die Rückholdreh­ momentkurve beim Wert T₀ flach (d. h. weist keine Stei­ gung auf), der höher als ein Wert T_s ist, der zum Drehen des Lenkrades notwendig ist, wenn die Betätigungseinheit 7 inaktiv ist. Die Steuerschaltung 10 steuert den Antrieb 7 so an, daß diese in der erforderlichen Richtung, der Kurve V₀ folgend, erregt wird.

Wenn der Fahrer somit das Lenkrad 1 beim Stand des Fahrzeuges losläßt, wirkt das Lenksteuerventil 4 durch das Rückholdrehmoment T₀, das auf die Lenkwelle 2 ausgeübt wird. Durch Ansprechen des Steuerventils auf dieses Rückholdrehmoment kehrt das Lenkrad in die Gerade­ ausstellung oder nahe in diese Stellung zurück. Das Ein­ parken des Fahrzeugs wird auf diese Weise sehr viel leichter als bei Lenkeinrichtungen, die nicht mit einer derartigen automatischen Rückführung in die Geradeaus­ stellung ausgerüstet sind. Gleichzeitig wird für den darauffolgenden Start des Fahrzeugs die Gefahr ausge­ schlossen, daß sich das Fahrzeug bei Aufnahme der Fahrt in eine unerwartete Richtung bewegt.

Entsprechend der obigen Aussage ist das konstante Rückholdrehmoment T₀ auf einen höheren Wert als das Dreh­ moment T_s festgesetzt, welches zur Betätigung des Steuerventils 4 nötig ist. In hydraulischen Servolenk­ einrichtungen ist im allgemeinen dieses Drehmoment T_s so klein, daß das höhere Rückholdrehmoment T₀ auf die Lenkwelle die manuelle Drehung des Lenkrades 1 nicht beeinflußt.

Die Kurve V₁ in der graphischen Darstellung der Fig. 2 zeigt das Rückholdrehmoment bei verschiedenen Lenkwinkeln für den Fall an, daß das Fahrzeug im mittle­ ren oder hohen Geschwindigkeitsbereich fährt. Ansprechend auf das Ausgangssignal vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 8 steuert die Steuerschaltung 10 den Antrieb 7 dahingehend, daß diese das Rückholdrehmoment proportional zum Lenkwinkel so lange erhöht, bis das Lenkrad 1 ge­ dreht ist, wie es beim Stand des Fahrzeugs der Fall ist. Dabei ist die Steigung der gezeigten Kurve, d. h. die Steigerungsrate des Drehmoments in Abhängigkeit vom Lenk­ winkel, geringer als im Fall eines stehenden Fahrzeugs. Das Rückholdrehmoment wird auch bei größeren Lenkwinkeln konstant, vorausgesetzt, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit gleichbleibend ist.

Es wird empfohlen, das Rückholdrehmoment bei der­ artigen größeren Lenkwinkeln in der in Fig. 3 gezeigten Weise mit der Fahrzeuggeschwindigkeit zu variieren. Die Kurve zeigt an, daß das Rückholdrehmoment oder Rückhol­ moment mit anwachsender Fahrzeuggeschwindigkeit zunächst abnimmt und anschließend im Hochgeschwindigkeitsbereich (oberhalb 100 km/h) geringfügig ansteigt. Die Rückhol­ momentcharakteristik während der Fahrzeugfahrt kann bei jedem möglichen Wert angesetzt und gewählt werden.

Die Steuerschaltung 10 ist so ausgelegt, daß sie ein Überschwingen des Lenkrades in der Nähe der Gerade­ ausstellung verhindert. Zu diesem Zweck enthält die Steuerschaltung 10 Einrichtungen zum Berechnen der Lenk­ geschwindigkeit aus dem Bereich der Änderung des Aus­ gangssignals vom Lenkwinkelsensor 9. Die Lenkgeschwin­ digkeit kann dazu verwendet werden, den Antrieb 7 in der in Fig. 4 graphisch dargestellten Weise zu steuern. Mit wachsender Lenkgeschwindigkeit R wird das Drehmoment in der Richtung erhöht, die der der Lenk­ raddrehung entgegengesetzt ist, um das Rückholmoment auf das Rad zu dämpfen. Der Antrieb 7 kann wäh­ rend des Rückdrehens des Lenkrades in die Geradeaus­ stellung gesteuert werden.

Darüber hinaus berechnet die Steuerschaltung 10 die Lateralbeschleunigung aus den Ausgangssignalen des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 8 und des Lenkwinkel­ sensors 9. Wie aus der graphischen Darstellung in Fig. 5 hervorgeht, steuert die Steuerschaltung 10 die Betätigungseinheit 7 in der Weise, daß das Rückhol­ moment auf das Lenkrad 1 mit ansteigender Lateralbe­ schleunigung G ansteigt. Das Lenkrad 1 empfängt folg­ lich nicht nur das Rückholmoment, das durch den Lenk­ winkel R bestimmt ist, sondern darüber hinaus das Rückholmoment, das durch die Lateralbeschleunigung G bestimmt ist. Die Resultierende dieser Rückholmomente dient dazu, die exzessive Abnahme des Widerstandes vom Rad 1 als Funktion des Lenkwinkels R infolge der servo­ bedingten Lenkhilfe oder Lenkunterstützung zu verhindern.

Die Erfindung ist zwar in einem Ausführungsbei­ spiel zur Anwendung auf eine hydraulische Servolenk­ einrichtung erläutert worden, sie ist jedoch auch auf elektrische Servolenkeinrichtungen anwendbar. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Last­ kraftwagen und Anhänger anwendbar, sondern auch auf Nichtstraßenfahrzeuge wie beispielsweise Gabelstapler und andere Konstruktionen und industrielle Fahrzeuge.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen möglich, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen und von der Erfindungsidee abzuweichen.

Claims (4)

1. Servolenkeinrichtung für ein Motorfahrzeug, in der ein Drehmomentsensor (4) funktionswirksam mit einer Lenkwelle (2) verbunden ist, um das hierauf über ein Lenkrad ausgeübte Drehmoment zu erfassen, und in der eine Servovorrichtung (4, 5, 6) vorgesehen ist, die die Lenkung des Fahrzeugs entsprechend dem erfaßten Drehmoment und dem durch einen Lenkwinkelsensor (9) erfaßten Lenkwinkel unterstützt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lenkwelle (2) eine elektromotorischer Antrieb (7) angebracht ist, der auf die Lenkwelle ein Rückholdrehmoment in Richtung einer Geradeausstellung ausübt, daß der elektromotorische Antrieb (7) dichter am Lenkrad (1) positioniert ist als der Drehmomentsensor (4), daß eine Steuerschaltung (10) zwischen den elektromotorischen Antrieb (7) und den Lenkwinkelsensor (9) geschaltet ist und daß diese Steuerschaltung (10) den elektromotorischen Antrieb (7) in der Weise steuert, daß auf die Lenkwelle (2) ein zumindest in Abhängigkeit des Lenkwinkels vorgegebenes Rückholdrehmoment ausgeübt wird.

2. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, in welcher ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (10) an den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (8) angeschlossen ist und den elektromotorischen Antrieb (7) so steuert, daß auf die Lenkwelle (2) ein in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgegebenes Rückholdrehmoment ausgeübt wird.

3. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (10) eine Lateralbeschleunigung (G) aus den Ausgangssignalen des Lenkwinkelsensors (9) und des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors (8) berechnet und den elektromotorischen Antrieb (7) so steuert, daß auf die Lenkwelle ein proportional zur Lateralbeschleunigung variiertes Rückholdrehmoment ausgeübt wird.

4. Servolenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (10) die Geschwindigkeit, mit der das Lenkrad gedreht wird, aus dem Ausgangssignal des Lenkwinkelsensors (9) berechnet und den elektromotorischen Antrieb (7) so steuert, daß der Wert des Rückholdrehmoments mit ansteigender Lenkgeschwindigkeit gedämpft wird.