DE69230743T2 - Hydraulische Servoeinheit, insbesondere für den Lenkmechanismus eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servoeinheit, insbesondere für den Lenkmechanismus eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Servoeinheit ist bekannt aus der GB-A-2 188 295.
• Gemäß dem Stand der Technik sind hydraulische Servoeinheiten der genannten Art derart aufgebaut, daß eine Änderung der Lage des Betätigungsgliedes eine proportionale Änderung eines Stellgliedes zur Folge hat. Das in Rede stehende Betätigungsglied kann ein Steuerrad eines Fahrzeugs, ein Hebel, ein Shuttle und dergleichen sein, und das Stellglied kann ein Steuerzylinder sein.
• Als Beispiel für ein Gebiet, auf welchem eine Servoeinheit gemäß der Erfindung angewendet werden kann und ein Beispiel für den Stand der Technik auf diesem Gebiet erscheint eine Anwendung im Zusammenhang mit der Steuerung eines Fahrzeugs geeignet. Zu einer solchen Steuerung gehört normalerweise ein Servosystem, bei welchem Drucköl über ein Schlauchsystem und eine Steuereinheit zu einen Steuerzylinder geführt wird, welcher eine Schwenkung der lenkbaren Räder zustande bringt, welche der Drehung des Steuerrads entspricht. Die Beziehung zwischen der Drehung des Steuerrades und der Schwenkung der lenkbaren Räder wird bestimmt durch die Bemessung der Steuereinheit, die Länge des Hubes des Steuerzylinders, und so weiter. Beispielsweise muß das Steuerrad aus einer Ausgangsposition, bei der sich die lenkbaren Räder parallel zur Längsachse des Fahrzeugs befinden, +/- zwei Umdrehungen gedreht werden, damit die lenkbaren Räder aus der maximalen Lage in einer Richtung in die maximale Lage in der anderen Richtung schwenken.
• Bei einem hydraulischen Servosystem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge gemäß dem Stand der Technik treibt die Batterie des Fahrzeugs in ungesteuerten Weise einen an die hydraulische Pumpe angeschlossenen elektrischen Motor. Dies bedeutet, daß die Drehzahl (Geschwindigkeit) des Motors und der Pumpe durch die Spannung der Batterie und die Last bestimmt wird, gegen welche die Pumpe im Augenblick arbeitet. Bei Vernachlässigung der Laständerungen bedeutet dies einen praktisch konstanten hydraulischen Fluß unabhängig davon, ob das Steuerrad und die lenkbaren Räder geschwenkt werden oder nicht. Im Falle einer konstanten Lage (Winkel) des Steuerrades zirkuliert der konstante Fluß über die Pumpe und den Öltank des Fahrzeugs ohne irgendeinen Nutzen. Wenn das Steuerrad gedreht wird, um das Fahrzeug umzulenken, wird eine an der Steuersäule montierte Steuereinheit derart beeinflußt, daß ein innerer kreisförmiger Schieber die freie Zirkulation des Drucköls unterbricht und das einströmende Öl zu einer der Seiten einer Meßpumpe leitet. Da die von der Meßpumpe geförderte Ölmenge konstant ist, transportiert ihr Rotor, wenn er sich dreht, eine sorgfältig bemessene Ölmenge zu dem Steuerzylinder. Der Rotor der Meßpumpe ist mit einem äußeren kreisförmigen Schieber der Steuereinheit verbunden, was bedeutet, daß dann, wenn der Rotor rotiert, auch der äußere kreisförmige Schieber rotiert. Wenn der Rotor im gleichen Maße sich gedreht hat wie das Steuerrad, unterbindet der kreisförmige Schieber den Ölfluß zu der Meßpumpe. Auf diese Weise wird die Menge des Fluids, die der Drehung des Steuerrads entspricht, sehr genau bestimmt. Das Rücköl, welches vom Steuerzylinder kommt, wird von dem kreisförmigen Schieber über dessen eigenen Kanäle in den Öltank zurückgeleitet.
• Ein Steuer- und Servosystems wie oben beschrieben bedeutet, daß die Schwenkgeschwindigkeit der lenkbaren Räder stets gleich ist, unabhängig von der Größe der Auslenkung und der Geschwindigkeit der Bewegung des Steuerrads. Die Schwenkgeschwindigkeit der lenkbaren Räder wird bestimmt durch die Abmessungen der vorhandenen Teile. Da eine hydraulische Pumpe stets mit einer mehr oder weniger konstanten Geschwindigkeit läuft, hat dieser bekannte Aufbau auch bedeutende Leistungsverluste und eine Verlust an Ladung der Batterie zur Folge, was zu verkürzten Zeitabständen für das Laden, die Wartung und so weiter führt.
• Vom Standpunkt des Fahrens wäre es wünschenswert, eine Steuervorrichtung zu haben, die eine Schwenkgeschwindigkeit eines lenkbaren Rades ergibt, welche der Drehgeschwindigkeit des Steuerrades entspricht. Dies ist durch die Tatsache bedingt, daß die gegenwärtig benutzten Fahrzeuge gelegentlich sowohl schnell als auch mit einem kleinen Drehradius gedreht werden müssen.
• Wenn ein Steuerrad gedreht wird, um eine Schwenkbewegung der lenkbaren Räder herbei zu führen, oder wenn ein Hebel geschoben wird, um eine lineare Bewegung eines Kolbens herbei zu führen, entsteht gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik ein Bedarf an einer bestimmten Flußmenge, die einer Steuereinheit in der Weise zugeführt werden soll, daß die Schwenkung der lenkbaren Räder der Drehung des Steuerrades entspricht beziehungsweise eine Verlagerung des Kolbens der Änderung der Lage des Hebels entspricht. Wenn nun dieser Fluß wie oben beschrieben mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt wird, so findet die Schwenkbewegung der lenkbaren Räder und die lineare Bewegung des Kolbens mit einer konstanten Geschwindigkeit statt.
• Die JP-A-63219479 beschreibt eine hydraulische Servoeinheit, die unter Standardbedingungen in der gleichen Weise arbeitet, wie die oben beschriebene bekannten hydraulische Servoeinheit. Die Servoeinheit ist mit einer weiteren Eigenschaft ausgerüstet, durch welche in dem Falle, daß die Drehgeschwindigkeit des Betätigungsgliedes einen Standardwert überschreitet, ein zusätzliches Antriebssignal dem Antriebsmotor für die Pumpe zugeführt wird, wobei dieses Signal angeblich von der Größe der Drehgeschwindigkeit des Betätigungsgliedes abhängig ist.
• Die GB-A-2 188 295 beschreibt eine hydraulische Servoeinheit, bei der die Geschwindigkeit des Motors, welcher die hydraulische Pumpe antreibt, von der Winkelgeschwindigkeit der Steuersäule abhängig gemacht ist. Aus diesem Grunde wird die Winkelgeschwindigkeit von einem Sensor erfaßt, und das erfaßte Signal wird dazu verwendet, über einen Signalformer und einen Verstärker dem elektrischen Antriebsmotor der Pumpe zugeführt zu werden. Die Abhängigkeit der Motorgeschwindigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Steuersäule wird jedoch in beträchtlichem Maße durch die Änderungen der Viskosität des hydraulischen Fluids (Öl) gestört.
• Die US-A-4 392 540 beschreibt eine hydraulische Servoeinheit, bei welcher die Geschwindigkeit der hydraulischen Pumpe abhängig gemacht ist von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Dabei besteht die Idee darin, eine größere hydraulische Unterstützung vorzusehen, wenn das Fahrzeug geparkt ist oder mit kleiner Geschwindigkeit betrieben wird, um den höheren Widerstand der Lenksäule bei diesen Betriebsbedingungen zu überwinden, und die Geschwindigkeit (Drehzahl) der Pumpe bei höheren Geschwindigkeiten des Fahrzeugs zu vermindern. Zu diesem Zweck wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs gemessen, und eine entspre chende Geschwindigkeit der hydraulischen Pumpe wird angewendet, wenn die Steuersäule beim Bewegen ein Schaltsignal liefert. Ferner wird dafür gesorgt, daß die Pumpe auch dann stets mit einer niedrigen Bereitschafts-Geschwindigkeit läuft, wenn die Steuersäule nicht gedreht wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Servoeinheit der oben genannten Art zu entwickeln, die imstande ist, mit einer unzweideutigen, beispielsweise proportionalen, Beziehung zwischen der Geschwindigkeit einer rotierenden oder linearen Bewegung des genannte Betätigungsglieds der Servoeinheit und der Geschwindigkeit des Flusses in der Servoeinheit zu arbeiten, welche Beziehung beispielsweise nicht beeinflußt wird durch Änderungen der Viskosität des hydraulischen Öls oder der Spannung der speisenden Batterie.
• Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine hydraulische Servoeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vor, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen genannt.
• Gemäß der Erfindung ist es zusätzlich zu einer gegebenen Beziehung zwischen der Drehung von beispielsweise dem Steuerrad eines Fahrzeugs und der Schwenkung der lenkbaren Räder auch möglich zu erreichen, daß die Schwenkung der lenkbaren Räder mit einer Schwenkgeschwindigkeit stattfindet, welche der Drehgeschwindigkeit des Steuerrades oder der Geschwindigkeit der Lageänderung eines Hebels entspricht. Hierfür ist Bedingung, daß die Drehgeschwindigkeit des Steuerrades oder die lineare Verschiebegeschwindigkeit des Hebels bekannt ist. Durch Anbringung ei nes Drehgeschwindigkeits-Sensors an der Steuersäule und durch Umwandlung des so gewonnenen Geschwindigkeitwertes in einen Sollwert für eine Drehzahlregelung des Pumpenmotors wird erreicht, daß die Geschwindigkeit des der Steuereinheit zugeführten Flusses der Drehgeschwindigkeit des Steuerrades entspricht. Der Istwert für die Drehzahlregelung kann in bekannter Art über einen Drehzahlmesser, der an die hydraulische Pumpe oder ihren Antriebsmotor angeschlossen ist, gewonnen werden. Durch Anbringung eines Geschwindigkeitsmessers an einen Hebel kann die entsprechende Regelung auch in diesem Falle durchgeführt werden. Durch Zuführung eines Meßwertes für die Geschwindigkeit des Antriebsmotors zu dem Regler wird die exakte Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit der Steuersäule und der Drehzahl der hydraulischen Pumpe nicht durch Änderungen der Viskosität des Öls, bedingt bespielsweise durch Temperaturänderungen, beeinträchtigt.
• Wie oben angedeutet, ist die Erfindung nicht ausschließlich in Verbindung mit der Bewegung eines Steuerrades oder eines Hebels anwendbar. Das Prinzip kann überall dort angewendet werden, wo ein Bedarf an einer klaren Beziehung zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit eines Gliedes und einer zu der Bewegungsgeschwindigkeit proportionalen Flußgeschwindigkeit besteht.
• Wenn die Erfindung für ein Fahrzeug verwendet wird, braucht dieses natürlich nicht elektrisch angetrieben zu werden.
• Im Prinzip könnte die hydraulische Pumpe im Falle einer konstanten Auslenkung des Steuerrades stillstehen. Um den Schlupf, der stets beim Starten und Beschleunigen des Pumpenmotors auftritt, zu vermeiden, arbeitet die Drehzahlregelung auch im Falle einer konstanten Auslenkung des Steu errades mit einem gewissen Drehzahlsollwert, der einer minimalen Geschwindigkeit bei lastfreiem Betrieb entspricht.
• Die Erfindung bringt eine bedeutende Energieersparnis, da die hydraulische Pumpe bei einer konstanten Auslenkung des Steuerrades nur mit der Geschwindigkeit für lastfreien Betrieb läuft. Dies bedeutet für ein elektrisches Fahrzeug auch eine längere Betriebszeit zwischen Aufladungen der Batterie und eine kürzere Ladezeit. Eine Antriebsart gemäß der Erfindung bedeutet auch, daß der Verschleiß der bewegten und rotierenden Teile bedeutend kleiner ist. Die geregelte Drehazahl bedeutet auch, daß der Fluß bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit stets der gleiche ist, unabhängig von der Belastung und der Batteriespannung.
• Um in einer einfachen und klaren Weise zu zeigen, wie eine hydraulische Servoeinheit gemäß der Erfindung verwendet werden kann, wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei welchem die Servoeinheit gemäß der beigefügten Zeichnung für die Steuerung eines Fahrzeugs verwendet wird.
• Wenn das Steuerrad 1 gedreht wird, wird die Drehgeschwindigkeit durch einen Sensor 2 gemessen. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen induktiven Sensor handeln, der eine Impulsfolge mit einer Frequenz erzeugt, die der Drehgeschwindigkeit entspricht. Der gewonnene Meßwert wird in einem Wandler 3 in ein geeignetes Sollwertsignal nref für eine hydraulische Pumpe 5 umgewandelt, die von einem drehzahlgeregelten Motor 4 angetrieben wird. Die Drehzahlregelung enthält im übrigen eine Meßvorrichtung 6, welche den Istwert nactual des Motors liefert. Der Sollwert und der Istwert werden einem Drehzahlregler 7 zugeführt, welcher das Stellglied 8 steuert, welches den Motor speist. Als Energiequelle für den Antrieb des Motors dient zweckmäßigerweise die elektrische Batterie 9 des Fahrzeugs. Wie die Regelung durch das Stellglied erfolgt, ist an sich irrelevant, und sie kann in vielen verschiedenen Weisen stattfinden. Ein geeignetes Verfahren ist die Verwendung einer pulsbreiten modulierten transistorisierten Steuervorrichtung PVM.
• Die Figur zeigt auch ein vereinfachtes Flußdiagramm für das hydraulische System. Wenn eine konstante Auslenkung des Steuerrades vorliegt, das heißt, wenn die Änderungsgeschwindigkeit Null ist, dann läuft der Motor lastfrei mit einer minimalen Geschwindigkeit, die einem nrefmin entspricht, welches beispielsweise durch den Wandler 3 für den Meßwert erzeugt werden kann und bereitsteht, wenn das Steuerrad gedreht werden soll. Das Öl, was dabei eingespeist wird, wird über ein Überdruckventil 10 zurück in einen Öltank 11 befördert. Wenn die Auslenkung des Steuerrads verändert wird, liefert der Geschwindigkeitssensor 2 einen Drehzahlsollwert für den Pumpenmotor 4. Die hydraulische Pumpe 5 versorgt über den Öltank und eine Steuereinheit 12 an der Steuersäule 13 den Steuerzylinder 14 mit dem notwendigen Drucköl zur Betätigung des Kolbens in dem Steuerzylinder in einem Maße, welches für die Schwenkung der lenkbaren Räder entsprechend der Drehung des Steuerrads erforderlich ist. Wenn der Kolben des Steuerzylinders 14 bewegt wird, fließt eine bestimmte Ölmenge zu der einen Seite des Kolbens und eine entsprechende Ölmenge wird von der anderen Seite des Kolbens abgeführt und über die Steuereinheit zu dem Öltank 11 zurückgeführt.

Claims (5)

1. Hydraulische Servoeinheit mit einer proportionalen Beziehung zwischen einer Änderung der Lage des Betätigungsgliedes (1) und der dadurch bewirkten Änderung der Lage des Stellgliedes (14) der Servoeinheit,

- wobei zu der Servoeinheit eine hydraulische Pumpe (5) gehört, die an einen Antriebsmotor (4) angeschlossen ist,

- wobei die genannte Pumpe (5) über eine Steuereinheit (12) die Servoeinheit (14) mit einem Fluß mit einer Geschwindigkeit versorgt, welche der Geschwindigkeit der Bewegung des Betätigungsglieds (1) entspricht,

- und mit einem Sensor (2) für die Geschwindigkeit der Bewegung des genannten Betätigungsglieds (1), wobei der gemessene Geschwindigkeitwert als Drehzahlsollwert nref für den genannten Antriebsmotor (4) dient,

dadurch gekennzeichnet

daß ein Geschwindigkeitssensor (6) zur Messung der Istdrehzahl nactual des Antriebsmotors an die hydraulische Pumpe oder den Antriebsmotor angeschlossen ist,

daß der Istwert der Drehzahl nactual und der Drehzahlsollwert nref an einen Drehzahlregler (7) angeschlossen sind, welcher das Stellglied (8), welches den Antriebsmotor speist, steuert, wodurch eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis für die Drehzahl des Antriebsmotors geschaffen wird,

und daß ein minimaler Drehzahlsollwert nrefmin bei fehlender Last selbst dann bereitgestellt wird, wenn die Ge schwindigkeit der Bewegung des genannten Betätigungsglieds Null ist.

2. Servoeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie für ein Fahrzeug verwendet wird, wobei das genannte Betätigungsglied (1) von dem Steuerrad des Fahrzeugs gebildet wird und das genannten Stellglied (14) von einem Steuerzylinder für die lenkbaren Räder des Fahrzeugs gebildet wird.

3. Servoeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug elektrisch angetrieben wird.

4. Servoeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (4) für die hydraulische Pumpe (5) ein elektrischer Motor ist.

5. Servoeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannten Betätigungsglied (1) als ein Hebel ausgebildet ist.