DE10033107A1 - Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem beispielsweise als Lenkrad ausgeführten Lenkbetätigungselement (1), einem mit dem Lenkbetätigungselement (1) verbundenen elektrischen Lenksignalgeber (5) und einem mit mindestens einem gelenkten Rad des Flurförderfahrzeugs verbundenen Stellglied zum Erzeugen einer Lenkkraft. Das Stellglied ist in Abhängigkeit von einem elektrischen Ausgangssignal des Lenksignalgebers (5) steuerbar. Erfindungsgemäß ist das Lenkbetätigungselement (1) mit einem Widerstandselement (4) verbunden, mit welchem ein veränderbares, auf das Lenkbetätigungselement (1) wirkendes Widerstandsmoment erzeugbar ist. Das Widerstandselement (4) weist ein elektro-rheologisches und/oder ein magneto-rheologisches Fluid auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem beispielsweise als Lenkrad ausgeführten Lenkbetätigungselement, einem mit dem Lenkbetätigungselement verbundenen elektrischen Lenksignalgeber und einem mit mindestens einem gelenkten Rad des Flurförderzeugs verbundenen Stellglied zum Erzeugen einer Lenkkraft, wobei das Stellglied in Abhängigkeit von einem elektrischen Ausgangssignal des Lenksignalgebers steuerbar ist.

Lenkvorrichtungen der genannten Art werden häufig als elektrische Lenkung oder als "steer by wire" Lenkung bezeichnet. Bei diesen Lenkvorrichtungen besteht keine mechanische Wirkverbindung zwischen dem von der Bedienperson bewegten Lenkbetätigungselement und dem die Lenkkraft am gelenkten Rad erzeugenden Stellglied. Eine Bewegung des Lenkbetätigungselements durch eine Bedienperson wird von dem Lenksignalgeber erfaßt, der ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. In einer elektrischen Steuervorrichtung wird dieses Signal verarbeitet und das Stellglied entsprechend angesteuert. Das Stellglied ist dabei in der Regel als Elektromotor ausgeführt, der mittels eines geeigneten Getriebes mit dem gelenkten Rad des Fahrzeugs verbunden ist. Ebenfalls möglich ist es, anstelle des Elektromotors ein hydraulisches Proportionalventil vorzusehen, über welches ein hydraulisches Stellglied versorgt wird, wobei das hydraulische Proportionalventil von der elektrischen Steuervorrichtung angesteuert wird.

Da bei gattungsgemäßen Lenkvorrichtungen die Signalübertragung zwischen dem Lenkbetätigungselement und dem zugehörigen Stellglied ausschließlich elektrisch erfolgt, ist die Betätigungskraft des Lenkbetätigungselements unabhängig von der mit dem Stellglied ausgeübten Kraft. Bei gattungsgemäßen Lenkvorrichtungen ist es bekannt, ein Widerstandselement vorzusehen, das ein konstantes Widerstandsmoment für das Lenkbetätigungselement erzeugt. Bei derartigen Lenkvorrichtungen erhält der Fahrer keinerlei Rückmeldung über die tatsächlich erforderliche Lenkkraft. Die Bedienperson kann daher weder bewußt noch unbewußt reagieren, wenn sich aufgrund einer veränderten Fahrsituation die erforderliche Lenkkraft ändert. Diese Eigenschaft von elektrischen Lenkungen beeinträchtigt die Fahrsicherheit von Fahrzeugen, die mit einer gattungsgemäßen Lenkvorrichtungen ausgestattet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem die Fahrsicherheit des Fahrzeugs gegenüber dem Stand der Technik verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Lenkbetätigungselement mit einem Widerstandselement verbunden ist, mit welchem ein veränderbares, auf das Lenkbetätigungselement wirkendes Widerstandsmoment erzeugbar ist, wobei das Widerstandselement ein elektro-rheologisches und/oder ein magneto-rheologisches Fluid aufweist.

Die Viskosität eines elektro-rheologischen Fluids kann durch Anlegen eines elektrischen Felds verändert werden. In analoger Weise verändert sich die Viskosität eines magneto-rheologischen Fluids, wenn ein magnetisches Feld angelegt wird. Bevorzugt wird in dem vorliegenden Anwendungsfall die Viskosität des Fluids mit einem Magnetfeld eingestellt, da das erforderliche Magnetfeld in einfacher Weise mit der in einem Fahrzeug verfügbaren Bordspannung erzeugbar ist. Darüber hinaus weisen magneto-rheologische Fluide eine größere Fließspannung, als elektro- rheologische Fluide auf. Bei magneto-rheologischen Fluiden handelt es sich im wesentlichen um Suspensionen von mikroskopischen, magnetisierbaren Partikeln in Öl.

Das Widerstandselement ist mit dem Lenkbetätigungselement verbunden. Es kann beispielsweise an dem Schaft eines Lenkrads angeordnet sein. Das Widerstandsmoment wird im Widerstandselement nach dem Prinzip eines hydraulischen Dämpfers erzeugt. Ein Widerstandsmoment wird damit als Reaktionskraft auf eine Bewegung des Lenkbetätigungselements erzeugt und ist der Betätigungsrichtung des Lenkbetätigungselements stets entgegengerichtet.

Ebenfalls möglich ist es, ein aktives Widerstandselement zu verwenden, mit dem ein Widerstandsmoment unabhängig von einer Bewegung des Lenkbetätigungselements erzeugbar ist. Ein solches aktives Widerstandselement weist einen eigenen Drehantrieb auf, der über einen hydraulischen Dämpfer an das Lenkbetätigungselement gekoppelt ist. Die Größe des Widerstandsmoments wird über die Viskosität des verwendeten elektro- oder magneto-rheologischen Fluids eingestellt. Mit einem solchen aktiven Widerstandselement kann beispielsweise eine Rückstellkraft des Lenkbetätigungselements erzeugt werden.

Somit ist bei einer erfindungsgemäßen Lenkungsvorrichtung das Widerstandsmoment des Widerstandselements durch Veränderung der Viskosität des Fluids einstellbar.

Das Widerstandselement weist eine Vorrichtung zum Erzeugen und Verändern eines elektrischen Felds und/oder eine Vorrichtung zu Erzeugen und Verändern eines magnetischen Felds auf. Die genannten Vorrichtungen können entweder in das Widerstandselement integriert sein oder weisen eine Verbindung mit dem Widerstandselement auf.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Vorrichtung zum Erzeugen und Verändern eines elektrischen Felds und/oder die Vorrichtung zu Erzeugen und Verändern eines magnetischen Felds mit einer elektronischen Steuervorrichtung in Wirkverbindung stehen und in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter des Fahrzeugs beeinflußbar sind. Das Widerstandsmoment kann damit in Abhängigkeit von dem aktuellen Zustand des Fahrzeugs beeinflußt werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist als Betriebsparameter die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder die momentane Betätigungsgeschwindigkeit des Lenkbetätigungselements und/oder der momentane Lenkwinkel und/oder eine Benutzervorgabe vorgesehen. Die Größe des Widerstandsmoments ist somit abhängig von den genannten Betriebsparametern. Die Betriebsparameter werden von der Steuervorrichtung kontinuierlich erfaßt und ausgewertet. Die Benutzervorgabe wird von der Bedienperson über ein Bedienelement ausgewählt. Die Ansteuerung der Vorrichtung zum Erzeugen des elektrischen bzw. magnetischen Felds erfolgt ebenfalls durch die Steuervorrichtung.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls dadurch gelöst, daß das Lenkbetätigungselement mit einem Widerstandselement verbunden ist, mit welchem ein veränderbares, auf das Lenkbetätigungselement wirkendes Drehmoment erzeugbar ist, wobei das Widerstandsmoment in Abhängigkeit von der momentanen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder in Abhängigkeit von der momentanen Betätigungsgeschwindigkeit des Lenkbetätigungselements und/oder in Abhängigkeit von dem momentanen Lenkwinkel und/oder in Abhängigkeit von Benutzervorgaben einstellbar ist.

Weitere Vorteile werden erreicht, wenn das Widerstandsmoment in Abhängigkeit von der Höhe und/oder dem Gewicht einer Last einstellbar ist. Die Höhe der mit dem Fahrzeug angehobenen Last und deren Gewicht beeinflussen die erforderliche Lenkkraft und sollten deshalb bei der Bestimmung des Widerstandsmoments des Widerstandselements berücksichtigt werden.

Das Widerstandsmoment kann hierbei mit einem beliebigen Widerstandselement eingestellt werden. In Betracht kommen dabei hydraulische Dämpfer, die, wie oben erläutert, ein elektro- oder magneto-rheologisches Fluid aufweisen. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von herkömmlichen hydraulischen Dämpfern, bei denen die Dämpfungscharakteristik, beispielsweise mittels einstellbarer Dämpfungsbohrungen, veränderbar ist. Alternativ kann ein auf dem Prinzip der mechanischen Reibung arbeitender Dämpfer verwendet werden, bei dem die Reibungskraft über eine Vorspannung der Reibflächen veränderbar ist.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn eine erfindungsgemäße Lenkvorrichtung in einem Flurförderzeug, vorzugsweise einem Schubmaststapler verwendet wird. In Flurförderzeugen und Lagertechnikgeräten, wie z. B. Schubmaststaplern, werden häufig elektrische Lenkungen verwendet. Im Einsatz von Flurförderzeugen ist häufig ein schnelles Lenken bei niedriger Fahrgeschwindigkeit des Flurförderzeugs erforderlich, wobei eine leichtgängige Lenkung zweckmäßig ist. Die Lenkvorrichtung muß jedoch gleichermaßen für längere, mit hoher Fahrgeschwindigkeiten bewältigte Strecken geeignet sein. Hier ist eine schwergängige Lenkung wünschenswert, um ein unbeabsichtigtes Bewegen des Lenkbetätigungselements zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Ausführung der Lenkvorrichtung führt insbesondere in Flurförderzeugen zu einer erheblichen Verbesserung des Fahrverhaltens und der Fahrsicherheit.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lenkungsvorrichtung,

Fig. 2 den Verlauf des Widerstandsmoments über der Fahrgeschwindigkeit,

Fig. 3 den Verlauf des Widerstandsmoments über der Betätigungsgeschwindigkeit des Lenkbetätigungselements,

Fig. 4 den Verlauf des Widerstandsmoments über dem Lenkwinkel.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lenkvorrichtung. Die Lenkvorrichtung beinhaltet ein als Lenkrad ausgeführtes Lenkbetätigungselement 1, eine Lenkwelle 2, Lagerungen 3, ein elektrisch verstellbares, verdrehbares Widerstandselement 4 und einen elektrischen Lenksignalgeber 5, z. B. einen optischen Sensor. Erfindungsgemäß ist das Widerstandselement 4 als magneto-rheologisches Dämpfungselement ausgeführt.

Die oben angeführten Bauteile sind derart angeordnet, daß die Position des Lenkrads sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung mittels einer Verstellvorrichtung 6 eingestellt werden kann. Das Widerstandselement 4 und der Lenksignalgeber 5 bleiben hierbei stets geschützt innerhalb der Gehäuseanordung 7 angeordnet.

Die Lenkwelle 2 ist so dimensioniert und mit zwei beabstandeten Wälzlagern 3 gelagert, daß sie eine robuste Aufnahme für das Lenkrad darstellt. Das Widerstandselement 4 ist mit der Lenkwelle 2 über eine vergleichsweise kleine Eingangswelle verbunden, ist jedoch durch die Lenkwelle 2 vor Fehl- und Überbelastung geschützt. Der Lenksignalgeber 5 schließlich ist mit einer Ausgangswelle des Widerstandselements 4 verbunden.

Gemäß einer alternativen, kompakteren Anordnung, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, sind die Lager 3 an einem Gehäuse des Widerstandselements 4 angeordnet. Das Widerstandselement 4 und der Lenksignalgeber 5 können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Der Lenksignalgeber kann mit der Lenkwelle an jeder beliebigen Stelle verbunden werden, z. B. auch zwischen dem Lenkbetätigungselement 1 und dem Widerstandselement 4.

Die Lenkvorrichtung funktioniert wie folgt:

Bei einem Drehen des Lenkrads erzeugt der Lenksignalgeber 5 ein Signal, das einer Lenksteuervorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt wird. Dieses Signal enthält Richtungs- und Geschwindigkeitsinformationen. Ein gelenktes Rad des Fahrzeugs wird entsprechend dieser Richtungs- und Geschwindigkeitsinformationen bewegt.

Zusätzlich wird von der Lenksteuervorrichtung ein Signal dem Widerstandselement zugeführt, in Abhängigkeit von welchem das Lenkrad mit einem Widerstandsmoment beaufschlagt wird, welches Widerstandsmoment wiederum der Fahrer des Fahrzeugs wahrnimmt.

Die Größe des erzeugten Widerstandsmoments ist abhängig von Vorgaben des Fahrers und von den Zustand des Fahrzeugs betreffenden Faktoren, wobei angestrebt wird, dem Fahrer in allen Betriebsbedingungen das Gefühl einer ausgewogenen, sicheren und kontrollierten Lenkung zu geben.

Fig. 2 zeigt drei mögliche Funktionen des von dem Widerstandselement 4 erzeugten Widerstandsmoments in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit:

Die Kurve 21 zeigt die bevorzugte Ausführungsform, wobei bei stillstehendem oder langsam fahrendem Fahrzeug das Widerstandsmoment am größten ist, was einer typischen mechanischen Lenkvorrichtung entspricht. Es sind jedoch auch Unterschiede zu dem Drehmomentverlauf einer mechanischen Lenkvorrichtung vorhanden. Sobald sich das Fahrzeug bewegt, ist gemäß Kurve 21 das Drehmoment am Lenkrad gering. Wenn sich das Fahrzeug jedoch im Bereich seiner Höchstgeschwindigkeit bewegt, ist das Drehmoment am Lenkrad wieder hoch, um ungewollte Bewegungen am Lenkrad zu verhindern. Solche ungewollten Bewegungen können insbesondere dann auftreten, wenn insgesamt nur wenige Lenkradumdrehungen vorgesehen sind. Insbesondere die Bewegungen des Fahreres bei einer Fahrt über unebenen Untergrund können zu solchen ungewollten Bewegungen des Lenkrads führen, wodurch das Fahrzeug ins Schwingen geraten kann oder es extrem schwierig oder gar unmöglich wird, bei hoher Geschwindigkeit geradeaus zu fahren.

Die Kurve 22 zeigt ein auf ein konstantes Widerstandsmoment eingestelltes Widerstandselement, unabhängig von der Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Fahrzeugs.

Normalerweise ist das zum Drehen des Lenkrads erforderliche Drehmoment am größten, wenn das Fahrzeug steht. Die Kurve 23 zeigt eine hierzu entgegengesetzte Charakteristik. Dies ist besonders zweckmäßig für Schubmaststapler, wenn im großen Umfang Fahrmanöver in engen Gängen bei niederer Geschwindigkeit stattfinden. Im mittleren Geschwindigkeitsbereich ist ein konstantes Widerstandsmoment vorgesehen, und wenn das Fahrzeug sich im Bereich seiner Höchstgeschwindigkeit bewegt, wird das Drehmoment aus dem selben Grund wie bei Kurve 21 wieder erhöht.

Fig. 3 zeigt vier mögliche Funktionen für das Widerstandsmoment in Abhängigkeit von der Betätigungsgeschwindigkeit des Lenkrads.

Die Funktion gemäß Kurve 31 sieht eine höchstes Widerstandsmoment vor, wenn der Fahrer das Lenkrad langsam bewegt, und ein geringstes Widerstandsmoment, wenn das Lenkrad schnell bewegt wird. Diese Charakteristik repräsentiert eine übliche hydraulische Lenkung und ermöglicht, eine elektrische Lenkung zur Verfügung zu stellen, bei der der Fahrer eine Lenkcharakteristik entsprechend seiner bisherigen Erfahrungen zur Verfügung gestellt bekommt oder eine solche auswählen kann. Die Kurve 32 zeigt ein konstantes Widerstandsmoment unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Lenkrads.

Die Kurve 33 zeigt die bevorzugte Ausführungsform. Wenn das Lenkrad langsam bewegt wird, ist ein mittelgroßes Widerstandsmoment vorgesehen. Das Widerstandsmoment wird jedoch auf einen sehr geringen Wert reduziert, wenn das Lenkrad mittelschnell bewegt wird, und steigt anschließend langsam an bis zu einem Maximalwert, der bei ca. 75% der maximalen Drehgeschwindigkeit des Lenkrads erreicht wird. Im gesamten Bereich sind die Widerstandsmomente jedoch relativ gering.

Die Kurve 34 zeigt eine einfache proportionale Charakteristik, bei der das Drehmoment in Abhängigkeit von der Betätigungsgeschwindigkeit ansteigt.

Fig. 4 zeigt drei mögliche Funktionen des Lenkwiderstands in Abhängigkeit von der Winkelstellung des gelenkten Rads oder der gelenkten Räder.

Die Kurven 41 und 43 zeigen ein starkes Ansteigen des Widerstandsmoments am Lenkrad, wenn das gelenkte Rad oder die gelenkten Räder in ihren Endpositionen sind.

Die Kurve 41 stellt eine Stufenfunktion dar, während in Kurve 43 das Widerstandsmoment stetig ansteigt. Durch entsprechende Softwareprogrammierung kann das Widerstandsmoment exakt an die tatsächlichen Lenkkräfte bei der vorhandenen Lenkgeometrie angepaßt werden.

Die Kurve 43 zeigt ein konstantes Widerstandsmoment, unabhängig von dem Lenkeinschlag der gelenkten Räder, was den derzeitigen Stand der Technik bei elektrischen Lenkungen darstellt.

Claims (8)

1. Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem beispielsweise als Lenkrad ausgeführten Lenkbetätigungselement (1), einem mit dem Lenkbetätigungselement (1) verbundenen elektrischen Lenksignalgeber (5) und einem mit mindestens einem gelenkten Rad des Flurförderzeugs verbundenen Stellglied zum Erzeugen einer Lenkkraft, wobei das Stellglied in Abhängigkeit von einem elektrischen Ausgangssignal des Lenksignalgebers (5) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkbetätigungselement (1) mit einem Widerstandselement (4) verbunden ist, mit welchem ein veränderbares, auf das Lenkbetätigungselement (1) wirkendes Widerstandsmoment erzeugbar ist, wobei das Widerstandselement (4) ein elektro-rheologisches und/oder ein magneto- rheologisches Fluid aufweist.

2. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment des Widerstandselements (4) durch Veränderung der Viskosität des Fluids einstellbar ist.

3. Lenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (4) eine Vorrichtung zum Erzeugen und Verändern eines elektrischen Felds und/oder eine Vorrichtung zu Erzeugen und Verändern eines magnetischen Felds aufweist.

4. Lenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen und Verändern eines elektrischen Felds und/oder die Vorrichtung zu Erzeugen und Verändern eines magnetischen Felds mit einer elektronischen Steuervorrichtung in Wirkverbindung steht, und in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter des Fahrzeugs beeinflußbar ist.

5. Lenkvorrichtung nach Anspruch 4, daß als Betriebsparameter die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder die momentanen Betätigungsgeschwindigkeit des Lenkbetätigungselements (1) und/oder der momentane Lenkwinkel und/oder eine Benutzervorgabe vorgesehen sind.

6. Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem beispielsweise als Lenkrad ausgeführten Lenkbetätigungselement (1), einem mit dem Lenkbetätigungselement (1) verbundenen elektrischen Lenksignalgeber (5) und einem mit mindestens einem gelenkten Rad des Flurförderzeugs verbundenen Stellglied zum Erzeugen einer Lenkkraft, wobei das Stellglied in Abhängigkeit von einem elektrischen Ausgangssignal des Lenksignalgebers (5) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkbetätigungselement (1) mit einem Widerstandselement (4) verbunden ist, mit welchem ein veränderbares, auf das Lenkbetätigungselement (1) wirkendes Widerstandsmoment erzeugbar ist, wobei das Widerstandsmoment in Abhängigkeit von der momentanen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder in Abhängigkeit von der momentanen Betätigungsgeschwindigkeit des Lenkbetätigungselement (1) und/oder in Abhängigkeit von dem momentanen Lenkwinkel und/oder in Abhängigkeit von Benutzervorgaben einstellbar ist.

7. Lenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment in Abhängigkeit von der Höhe und/oder dem Gewicht einer Last einstellbar ist.

8. Verwendung einer Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Flurförderzeug, vorzugsweise einem Schubmaststapler.