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Die
Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Fahrzeug, mit einem Lenkgestänge, einem
Lenkrad, das mit einem Steuer-Hydraulikmotor verbunden ist, einem
Steuer-Hydraulikzylinder, der mit dem Steuer-Hydraulikmotor durch
einen Steuer-Hydraulikkreis verbunden ist, einem Servo-Hydraulikzylinder,
einer Servo-Pumpe,
einem Servo-Hydraulikkreis, der die Servo-Pumpe mit dem Servo-Hydraulikzylinder
verbindet, und mit einer Steuerelektronik, die den Servo-Hydraulikkreis steuert.
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Ein
solches Lenksystem, bei dem keine mechanische Verbindung zwischen
dem Lenkrad und dem Lenkgestänge
des Fahrzeugs besteht, ist unter der Bezeichnung "Steer-by-Wire" bekannt. Bei ihm wird
die Lenkbewegung des Lenkrades elektronisch vom Lenkrad zum Lenkgestänge übertragen,
indem der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel-Sollwert "per Draht" zunächst an
eine Steuerelektronik übertragen
wird; die Steuerelektronik gibt dann "per Draht" einen Stellbefehl an einen Aktuator,
der als hydraulischer oder elektrischer Stellmotor ausgeführt sein
kann und die Lenkbewegung am Lenkgestänge der Vorderachse erzeugt.
Die Steuerelektronik verarbeitet dabei Signale von verschiedenen
Sensoren. Die beiden wichtigsten Signale sind der Sollwert für den Lenkwinkel,
der vom Fahrer am Lenkrad vorgegeben wird, und der Istwert der Position
des Lenkgestänges
an den Vorderrädern,
der aus der Stellbewegung des Aktuators resultiert. Weitere Signale
können
beispielsweise die Fahrzeuggeschwindkeit und die Fahrzeuggierrate
sein.
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Zusätzlich zu
der Funktion, die Lenkbewegung der Vorderräder vorzunehmen, hat ein solches Lenksystem
die Aufgabe, dem Fahrer eine haptische, also den Tastsinn der Hände ansprechende
Information über
den Fahrbahnkontakt der Vorderräder zu
vermitteln. Ein Steer-by-Wire-System muß daher nicht nur Lenkbewegungen
des Fahrers in Stellbewegungen an den Rädern umsetzen können, sondern auch
Rückstellkräfte am Lenkrad
erzeugen können, die
mit den zwischen Fahrbahn und Vorderrädern übertragenen Seitenführungskräften in
einem sinnvollen Zusammenhang stehen. Dazu ist ein weiterer Aktuator
erforderlich, der mit dem Lenkrad verbunden ist. Auch dieser Aktuator
wird elektronisch angesteuert. Die Funktion dieses Aktuators besteht
allerdings nicht darin, eine Stellbewegung auszuführen; dieser
Aktuator dient dazu, ein für
den Fahrer spürbares
Gegenmoment am Lenkrad zu erzeugen. Die Steuerelektronik muß dazu Informationen über die Seitenführungskräfte an den
Rädern
der Vorderachse verarbeiten. Diese Informationen werden entweder
von Kraftsensoren bereitgestellt, die im Lenkgestänge angeordnet
sind, oder abgeleitet von dem am Aktuator wirkenden Hydraulikdruck
oder der anliegenden Stromstärke,
um indirekt ein Maß für die Seitenführungskräfte an den
Rädern
der Vorderachse zu erhalten.
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Der
Vorteil eines solchen Lenksystems gegenüber einem herkömmlichen,
mechanischen Lenksystem besteht insbesondere darin, daß die Lenkübersetzung
frei gewählt
werden kann, beispielsweise als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Auch kann die bereitgestellte Lenkkraftunterstützung frei programmiert werden.
Als Zusatzfunktion kann eine aktive dynamische Lenkwinkelkorrektur
vorgesehen sein, die zur Erhöhung
der Fahrstabilität
dient. Diese Funktion ist vergleichbar mit den sogenannten ESP-Systemen,
die eine automatische Bremsbetätigung
zur Erhöhung
der Fahrstabilität
vorsehen. Schließlich
kann die Lenkung zur automatischen Spurführung und Kollisionsvermeidung
verwendet werden.
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Ein
wichtiger Gesichtspunkt bei Steer-by-Wire-Systemen ist die Ausfallsicherheit.
Einzelne Fehler im System, die nicht mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit
ausgeschlossen werden können, dürfen nicht
zum Totalausfall des Systems und damit zum Verlust der Lenkbarkeit
des Fahrzeugs führen. Um
dieser Forderung gerecht zu werden, verwendet man heute bei allen
sicherheitsrelevanten aktiven Systemen im Fahrwerksbereich eine
auf konventioneller Technik basierende Rückfallebene, die es erlaubt,
ein fehlerhaftes aktives System durch Abschalten unschädlich zu
machen. Solche Systeme werden daher als ausfallsicher bezeichnet.
Alternativ könnten
Lösungen
mit mehrfacher Redundanz vorgesehen werden, bei denen Fehler in
den redundanten Teilsystemen selbst kompensiert werden können; solche
Systeme werden als fehlertolerant bezeichnet.
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Aus
der
DE 198 01 393
C1 ist ein Lenksystem der eingangs genannten Art bekannt.
Der Steuer-Hydraulikkreis überträgt die Lenkbewegungen
des Lenkrades kraftschlüssig
an die Vorderräder.
Somit dient der Steuer-Hydraulikkreis als Rückfallebene; bei einem Fehler
im System, beispielsweise beim Ausfall der Versorgungsspannung,
ist die Lenkbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet. Aus dieser Druckschrift
ist auch bekannt, am Lenkgestänge
einen Positionssensor und am Lenkrad einen Winkelsensor anzuordnen.
Die von den beiden Sensoren gelieferten Informationen dienen dazu,
den Servo-Hydraulikkreis zusteuern.
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Auch
die
DE 196 27 893
C1 zeigt ein Lenksystem mit einem Steuer-Hydraulikkreis und
einem Servo-Hydraulikkreis. Der Servo-Hydraulikkreis ist als Open-Center-Kreis
ausgebildet.
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Ein
weiteres Bespiel für
ein Lenksystem mit einem Steuer-Hydraulikkreis und einem Servo-Hydraulikkreis
zeigt die
DE 196 03
568 C2 . Gemäß einer
Ausführungsform
ist anstelle der hydraulischen Servounterstützung ein elektrischer Servomotor
vorgesehen.
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Die
Erfindung schafft ein Lenksystem, das hohe Anforderungen an die
Ausfallsicherheit erfüllt. Weiterhin
ermöglicht
es das erfindungsgemäße Lenksystem,
dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel einen Korrekturwinkel zu überlagern,
beispielsweise um die Lenkübersetzung
zu variieren oder das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu beeinflussen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Lenksystem der eingangs
genannten Art vorgesehen, daß im
Steuer-Hydraulikkreis parallelgeschaltet mit dem Steuer-Hydraulikzylinder
eine Modulator-Pumpe vorgesehen ist, die einen Hydraulikstrom bereitstellen
kann, der demjenigen überlagert
wird, der von dem Steuer-Hydraulikmotor bereitgestellt wird. Der
so gebildete Modulator-Hydraulikkreis
ermöglicht
es, eine variable Lenkübersetzung und
eine aktive Lenkwinkelkorrektur bereitzustellen, ohne daß der Steuer-Hydraulikkreis
geöffnet
werden muß.
In Abhängigkeit
vom von der Modulator-Pumpe bereitgestellten Hydraulikstrom kann
der Hydraulikstrom des Steuer-Hydraulikmotors verstärkt, abgeschwächt oder
gar überkompensiert
werden. In Verbindung mit dem Positionssensor und dem Winkelsensor,
welche die Stellung des Lenkrades und die Position des Lenkgestänges erfassen,
kann der Modulator-Hydraulikkreis die Stellung des Lenkrades relativ
zur Position des Lenkgestänges
synchronisieren. Daher kann in dem Steuer-Hydraulikkreis eine interne
Leckage zugelassen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, daß am
Lenkgestänge ein
Positionssensor angeordnet ist und daß am Lenkrad ein Winkelsensor
angeordnet ist. Die von den beiden Sensoren gelieferten Informationen
dienen zum einen dazu, im Normalbetrieb den Servo-Hydraulikkreis
zu steuern; zum anderen werden die Informationen in einem Notbetrieb
dazu verwendet, den Servo-Hydraulikkreis
als einfachen Positionsregelkreis zu betreiben.
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Vorzugsweise
ist zwischen der Modulator-Pumpe und dem Steuer-Hydraulikkreis ein Magnetventil angeordnet,
mittels dem die Modulator-Pumpe vom Steuer-Hydraulikkreis abgekoppelt werden
kann, wobei das Magnetventil von einer Feder mechanisch in eine
Stellung beaufschlagt wird, in der die Modulator-Pumpe vom Steuer-Hydraulikkreis abgekoppelt
ist. Auch diese Gestaltung dient der Erzielung einer hohen Ausfallsicherheit;
durch die mechanische Beaufschlagung des Magnetventils wird das
System automatisch auf die Rückfallebene
gebracht, wenn beispielsweise keinerlei Versorgungsspannung mehr
zur Verfügung
steht.
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Die
Steuerelektronik kann ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal und ein
Fahrzeuggierraten-Signal empfangen und in Abhängigkeit von diesen Signalen
sowie den Signalen der Positionssensoren am Lenkgestänge und
am Lenkrad die Modulator-Pumpe steuern. Auf diese Weise ergibt sich
die Möglichkeit,
eine aktive dynamische Lenkwinkelkorrektur unabhängig von den Lenkbewegungen
des Fahrers vorzunehmen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist bei einem Lenksystem der eingangs
genannten Art vorgesehen, daß im
Steuer-Hydraulikkreis ein Ventil angeordnet ist, mittels dem die
Verbindung des Steuer-Hydraulikmotors mit dem Steuer-Hydraulikkreis
gedrosselt oder unterbrochen werden kann. Somit kann verhindert
werden, daß es
zu einer Rückwirkung
von dem von der Modulator-Pumpe bereitgestellten Hydraulikstrom
auf den Steuer-Hydraulikmotor und somit das Lenkrad kommt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß das
Ventil, mittels dem die Verbindung des Steuer-Hydraulikmotors mit
dem Steuer-Hydraulikkreis gedrosselt oder unterbrochen werden kann,
mechanisch in eine Stellung beaufschlagt wird, in der die Verbindung
des Steuer-Hydraulikmotors mit dem Steuer-Hydraulikkreis vollständig geöffnet ist.
Auch dies dient der Erhöhung
der Ausfallsicherheit.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung ist bei einem Lenksystem der eingangs
genannten Art eine Versorgungsleitung vorgesehen, die über zwei Rückschlagventile
den Steuer-Hydraulikkreis mit Hydraulikfluid versorgt. Auf diese
Weise wird selbst für
den Fall, daß ein
kleines Leck im Steuer-Hydraulikkreis vorliegt, die Funktionsfähigkeit
des Steuer-Hydraulikkreises gewährleistet.
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Vorzugsweise
ist jedes der beiden Rückschlagventile
mit einer Pilotleitung versehen, die mit dem Druck im entgegengesetzten
Strang des Steuer-Hydraulikkreises
beaufschlagt ist. Dies ermöglicht es,
das Rückschlagventil
in dem Strang des Kreises, der gerade der Niederdruck-Strang ist,
dann zu öffnen,
wenn im Hochdruck-Strang ein vorgegebener Druck überschritten wird. Auf diese
Weise kann verhindert werden, daß sich im Steuer-Hydraulikkreis ein
unzulässig
hoher Druck aufbaut.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung sind im Steuer-Hydraulikkreis
in den beiden Zuleitungen zum Steuer-Hydraulikzylinder zwei Drucksensoren
angeordnet, deren Signal der Steuerelektronik zur Verfügung gestellt
wird. Die Drucksensoren ermöglichen
es, die wirkenden Lenkkräfte
zu erfassen und in Abhängigkeit
von diesen Lenkkräften
den Servo-Hydraulikkreis geeignet zu steuern.
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Vorzugsweise
sind im Servo-Hydraulikkreis in den beiden Zuleitungen zum Servo-Hydraulikzylinder
zwei Drucksensoren angeordnet, deren Signal der Steuerelektronik
zur Verfügung
gestellt wird. Diese beiden Drucksensoren dienen dazu, den Istwert der
Lenkkraftunterstützung
an die Steuerelektronik zurückzumelden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform
beschrieben, die in der beigefügten
einzigen Zeichnung dargestellt ist. In dieser ist schematisch ein
erfindungsgemäßes Lenksystem
gezeigt. Des weiteren ist mit der mit dem Bezugszeichen V versehenen Strichlinie
der Umriß eines
Fahrzeugs angedeutet.
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem
dient dazu, lenkbare Fahrzeugräder 2 über ein
Lenkgestänge 4 in
Abhängigkeit
von der Betätigung
eines Lenkrades 6 zu verschwenken, wobei zur Betätigung des
Lenkgestänges
ein Stellzylinder 8 vorgesehen ist. Zur Betätigung des
Stellzylinders 8 sind insgesamt drei Hydraulikkreise vorgesehen,
nämlich
ein Steuer-Hydraulikkreis, ein Modulator-Hydraulikkreis und ein Servo-Hydraulikkreis.
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Der
Steuer-Hydraulikkreis 10 dient dazu, das Lenkrad mit dem
Lenkgestänge
zu koppeln, und enthält
einen doppeltwirkenden Steuer-Hydraulikzylinder 12 sowie
einen Steuer-Hydraulikmotor 14, der mit dem Lenkrad 6 verbunden
ist. Im Steuer-Hydraulikkreis 10 sind
in der Nähe
der beiden Eingänge
des Steuer-Hydraulikzylinders 12 zwei
Drucksensoren 16 angeordnet. Diese stellen ein Signal bereit,
das einer schematisch dargestellten Steuerelektronik 18 zugeführt wird.
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Am
Stellzylinder 8 ist ein Positionssensor 20 angebracht,
dessen Signal ebenfalls der Steuerelektronik 18 zur Verfügung gestellt
wird. Weiterhin empfängt
die Steuerelektronik 18 ein Signal eines Winkelsensors 22,
der dem Lenkrad 6 zugeordnet ist.
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Mit
dem Steuer-Hydraulikzylinder 12 ist ein Modulator-Hydraulikkreis 40 parallel
geschaltet. Dieser dient dazu, die vom Lenkrad 6 vorgegebenen Lenkbefehle
zu variieren oder zu korrigieren, und enthält eine Modulator-Pumpe 42,
die von einem Motor 44 angetrieben wird. Ferner ist ein
4/2-Wege-Magnetventil 46 vorgesehen, das mechanisch von
einer Feder in eine Stellung beaufschlagt wird, in der der Modulator-Hydraulikkreis 40 von
dem Steuer-Hydraulikkreis 10 getrennt ist.
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Im
Steuer-Hydraulikkreis 10 ist ein 4/2-Wege-Magnetventil 24 vorgesehen,
das mechanisch von einer Feder in eine Stellung beaufschlagt wird,
in der das Magnetventil 24 vollständig geöffnet ist. Das Magnetventil 24 ermöglicht es,
den Steuer-Hydraulikmotor 14 entweder teilweise, wenn das
Magnetventil 24 als Drossel wirkt, oder gar vollständig vom
Steuer-Hydraulikkreis 10 abzukoppeln.
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Separat
vom Steuer-Hydraulikkreis 10 ist ein Servo-Hydraulikkreis 60 vorgesehen.
Dieser dient dazu, eine Lenkkraftunterstützung bereitzustellen, um die
Betätigungskraft
der Lenkung auf ein angemessenes Maß zu senken.
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Der
Servo-Hydraulikkreis 60 enthält einen doppeltwirkenden Servo-Hydraulikzylinder 62,
der in gleicher Weise wie der Steuer-Hydraulikzylinder 12 am
Stellzylinder 8 angreift. Dieser ist somit als Zwillings-Hydraulikzylinder
ausgeführt.
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Im
Servo-Hydraulikkreis 60 sind in der Nähe der Eingänge des Servo-Hydraulikzylinders 62 zwei Drucksensoren 64 angeordnet,
deren Signale der Steuerelektronik 18 zugeführt werden.
Im Servo-Hydraulikkreis 60 ist ferner eine Servopumpe 66 angeordnet,
die von einem Motor 68 angetrieben wird. Mit der Servopumpe 66 ist
ein Drosselventil 70 parallelgeschaltet. Außerdem sind
im Servo-Hydraulikkreis 60 zwei
4/2-Wege-Magnetventile 72 vorgesehen, die als Drosselventile
wirken. Die beiden Magnetventile 72 sind so geschaltet,
daß ein
Open-Center-Kreis erzielt ist, und werden mechanisch von einer Feder
in eine Stellung beaufschlagt, in der sie vollständig geöffnet sind.
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Von
dem Servo-Hydraulikkreis 60 führt eine Versorgungsleitung 80,
die mit einem Druckreduzierventil 82 versehen ist, zum
Steuer-Hydraulikkreis 10. Mit diesem ist sie durch zwei
Rückschlagventile 84 angeschlossen. Über die
Versorgungsleitung 80 ist gewährleistet, daß der Steuer-Hydraulikkreis 10 jederzeit
mit Hydraulikfluid versorgt ist. Jedes der Rückschlagventile 84 ist
mit einer Pilotleitung versehen, die vom Druck des entgegengesetzten
Strangs des Steuer-Hydraulikkreises 10 beaufschlagt
ist; somit kann beim Auftreten eines Überdrucks der Steuer-Hydraulikkreis 10 entlastet
werden.
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Das
beschriebene Lenksystem arbeitet in der folgenden Weise: Bei einer
Betätigung
des Lenkrades 6 wird im Steuer-Hydraulikmotor 14 ein
Hydraulikstrom erzeugt, der über
den Steuer-Hydraulikzylinder 12 eine Lenkbewegung des Stellzylinders 8 und
somit des Lenkgestänges 4 hervorruft.
In Abhängigkeit
von den dabei wirkenden Lenkkräften,
die mittels der Drucksensoren 16 erfaßt und der Steuerelektronik 18 zur
Verfügung
gestellt werden, wird im Servo-Hydraulikkreis 60 ein geeigneter
Hydraulikstrom bereitgestellt, der im Servo-Hydraulikzylinder 62 eine
Lenkunterstützungskraft
erzeugt. Diese Lenkunterstützungskraft
kann nahezu frei programmiert werden und anhand von Parametern wie
der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem im Steuer-Hydraulikkreis 10 herrschenden
Druck angepaßt
werden. Üblicherweise
beträgt
dabei die vom Servo-Hydraulikzylinder 62 bereitgestellte
Lenkunterstützungskraft
maximal das 10-fache der vom Steuer-Hydraulikzylinder 12 bereitgestellten
Lenkkraft.
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Die
Modulator-Pumpe 42 ermöglicht
es, dem vom Steuer-Hydraulikmotor 14 gelieferten Hydraulikstrom
einen Modulatorstrom zu überlagern.
Auf diese Weise kann beispielsweise die Lenkübersetzung variiert werden.
Bei geringen Geschwindigkeiten kann beispielsweise eine eher geringe
Lenkübersetzung bereitgestellt
werden, um die zum Einparken erforderliche große Schwenkbewegung der Räder 2 mit vergleichsweise
geringem Lenkausschlag herbeizuführen.
Zu diesem Zweck wird dann zusätzlich
zu dem vom Steuer-Hydraulikmotor 14 bereitgestellten Hydraulikstrom
ein in derselben Richtung wirkender Modulator-Hydraulikstrom überlagert.
Wenn dagegen eine indirekte Lenkübersetzung
gewünscht
wird, um beispielsweise bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten das
gewünschte
sanfte Ansprechen der Lenkung zu gewährleisten, wird dem vom Steuer-Hydraulikmotor 14 bereitgestellten
Volumenstrom ein gegensinnig wirkender Modulator-Hydraulikstrom überlagert.
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Das
Magnetventil 24 dient beim Betrieb des Modulator-Kreises 40 dazu,
die Rückwirkung
des im Steuer-Hydraulikreises 10 wirkenden Drucks auf den Steuer-Hydraulikmotor 14 so
zu variieren, daß dem Fahrer über die
von ihm erfaßbaren
Lenkkräfte
am Lenkrad 6 eine zutreffende Information über die
tatsächlich
wirkenden Lenkkräfte
und Seitenführungskräfte an den
Rädern 2 geliefert
wird.
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Ein
wichtiger Aspekt des Modulator-Hydraulikkreises 40 besteht
darin, daß er
den Steuer-Hydraulikkreis 10 nicht auftrennt, dieser also
immer geschlossen ist. Dies ist im Hinblick auf die Ausfallsicherheit
von großer
Bedeutung; der Steuer-Hydraulikkreis 10 steht
unter allen Umständen
als Rückfallebene
zur Verfügung.
Selbst wenn sowohl der Servo-Hydraulikkreis 60 als auch
der Modulator-Hydraulikkreis
ausgefallen sind, entweder durch Ausfall der gesamten Elektrik oder
durch ein Leck im entsprechenden Kreis, gewährleistet der Steuer-Hydraulikkreis 10 eine
kraftschlüssige
Verbindung vom Lenkrad 6 zum Lenkgestänge 4, so daß das Fahrzeug lenkbar
bleibt.
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Für den Aspekt
der Ausfallsicherheit ist auch wichtig, daß der Servo-Hydraulikkreis 60 vom Steuer-Hydraulikkreis 10 vollständig entkoppelt
ist; er dient wie bei einer konventionellen hydraulischen Servolenkung
lediglich zur Erzeugung der Lenkunterstützungskräfte.
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Eine
weitere Sicherheitsfunktion wird mit Hilfe des Positionssensors 20 und
des Lenkwinkelsensors 22 erzielt. Wenn im Steuer-Hydraulikkreis 10 ein Leck
auftritt, welches die kraftschlüssige
Verbindung zwischen Lenkrad 6 und Lenkgestänge 4 unterbricht, kann
mittels der beiden Sensoren 20, 22 und des Servo-Hydraulikkreises 60 ein
Positionsregelkreis gebildet werden, der die Stellung des Stellzylinders 8 in
Abhängigkeit
von den vom Lenkrad 6 vorgegebenen und vom Lenkwinkelsensor 22 erfaßten Werten steuert.
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Sollte
es im Steuer-Hydraulikkreis 10 zu einer internen Leckage
kommen, kann die Stellung des Lenkrades 6 relativ zur Position
des Lenkgestänges 4 mittels
des Modulator-Hydraulikkreises 40 synchronisiert werden,
indem die Stellung des Lenkrades 6 und die Position des
Lenkgestänges 4 mittels
der entsprechenden Sensoren 20, 22 miteinander
verglichen wird.