DE10046168A1 - Road vehicle steering system with steer-by-wire function has actuator providing steering reaction force and mechanical servo-assisted back-up system - Google Patents
Road vehicle steering system with steer-by-wire function has actuator providing steering reaction force and mechanical servo-assisted back-up systemInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben. Eine entsprechende Lenkung ist bekannt aus EP 858 408 B1.The invention is based on the genus, as in independent claim 1 specified. A corresponding steering is known from EP 858 408 B1.
Neben hydraulischen SbW-Lenkungen (SbW = Steer by wire) sind auch solche mit elektrischen Antrieben bekannt, vergleiche auch DE 42 32 256 A1, DE 195 40 956 C1, DE 195 46 942 C1.In addition to hydraulic SbW steering systems (SbW = Steer by wire) there are also known with electric drives, see also DE 42 32 256 A1, DE 195 40 956 C1, DE 195 46 942 C1.
In den Patentschriften DE 198 01 393 C1 und DE 198 05 015 C1 ist jeweils ein hydraulischer Lenksteller beschrieben, welcher über ein elektrisch betätigbares Steuer- bzw. Regelventil gesteuert wird. Diese elektrisch betätigbaren Ventile für hydraulische Lenkungen sind nicht im Serieneinsatz und erfordern einen großen Entwicklungsaufwand mit entsprechenden Kosten. In der Patentschrift DE 198 05 015 ist eine Lenksäulenverbindung mit einer hydraulischen Kupplung dargestellt.In the patents DE 198 01 393 C1 and DE 198 05 015 C1 there is one Hydraulic steering actuator described, which has an electrically operated Control or regulating valve is controlled. These electrically operated valves for hydraulic steering systems are not in series production and require a large one Development effort with corresponding costs. In the patent DE 198 05 015 is a steering column connection with a hydraulic clutch shown.
Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass beim Ausfall der elektrischen Regelung in ein mechanisches Lenksystem zurückgefallen wird, was dem Fahrer eine große Lenkkraft abfordert. The disadvantage of these solutions is that if the electrical fails Regulation in a mechanical steering system falls back on what the driver demands a large steering force.
Weiterhin sind SbW-Systeme entwickelt worden, die mit einer Schaltkupplung und einem elektrischen Lenkaktuator (= Lenksteller) ausgerüstet sind.SbW systems have also been developed that use a clutch and an electric steering actuator (= steering actuator).
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Lenksystem zu schaffen, mit dem ein Straßenfahrzeug gesteuert werden kann, welches Lenkbewegungen auch unabhängig vom Fahrer ausführen können soll.It is an object of the invention to provide a steering system with which Road vehicle can be controlled, whatever steering movements should be able to run independently of the driver.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können. Dabei soll für den Fahrer das von konventionellen Lenkungen bekannte Fahrgefühl und der ständige Zugriff auf die Radstellung gewährleistet sein.This task is solved by the steering system with the characteristics of the Claim 1. Advantageous further developments are in the dependent claims specified, the characteristics of which, where appropriate, combined with one another can be. The driver is familiar with conventional steering systems Driving experience and constant access to the wheel position can be guaranteed.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße SbW-Lenkung einen elektrischen Lenkhandrad-Aktuator, eine zweiteilige Lenksäule mit der Schaltkupplung und eine Servolenkung auf. Dabei kann es sich um eine elektrische Servolenkung handeln, die einen elektrischen Lenksteller aufweist. Es kann sich aber auch um eine hydraulisch unterstützte Servolenkung (mit hydraulischem Lenksteller) handeln, wobei insbesondere der Stellmotor als elektrisch geregelter Ventilaktuator für das Servoventil der Lenkung (zum Beispiel Zahnstangenhydrolenkung, Kugelmutterhydrolenkung) dient und ein Teil der Schaltkupplung ein Teil vom Antrieb bzw. Getriebe des Ventilaktuators und/oder des Lenkhandrad-Aktuators ist. Die Einheit "Schaftkupplung mit Antrieb(en)" kann auf der (unter Umständen geknickten) Lenksäule zwischen Lenkhandrad und Servolenkung an fast beliebiger Stelle angeordnet sein. Dadurch kann der begrenzte Bauraum im Fahrzeug gut genutzt werden.The SbW steering system according to the invention preferably has an electrical one Steering handwheel actuator, a two-part steering column with the clutch and a power steering. It can be an electric power steering act that has an electric steering actuator. But it can also be a hydraulically assisted power steering (with hydraulic steering actuator) act, in particular the servomotor as an electrically controlled Valve actuator for the steering servo valve (for example Rack and pinion hydraulic steering) serves and part of the Switching clutch part of the drive or gearbox of the valve actuator and / or of the steering handwheel actuator. The unit "shaft coupling with drive (s)" can on the (possibly kinked) steering column between the steering wheel and power steering can be arranged at almost any point. This allows the limited space in the vehicle can be used well.
Dieses Konzept einer Steer-by-wire-Lenkung hat mehrere Vorteile gegenüber
den bekannten Lösungen:
Beim Ausfall der elektrischen Steer-by-wire-Funktion schließt die Schaltkupplung
die Verbindung zwischen Lenkhandhabe (insbesondere Lenkhandrad) und
hydraulischer Servolenkung selbsttätig. In der dadurch entstehenden
hydraulischen Rückfallebene kann mit dem heute üblichen hohen Lenkkomfort
das Fahrzeug mit Hilfe des hydraulischen Servoventils gelenkt werden. Bevorzugt
hat die hydraulische Rückfallebene ihrerseits eine rein mechanische
Rückfallebene.This concept of steer-by-wire steering has several advantages over the known solutions:
If the electrical steer-by-wire function fails, the clutch closes the connection between the steering handle (especially the steering wheel) and the hydraulic power steering automatically. In the resulting hydraulic fallback level, the vehicle can be steered with the help of the hydraulic servo valve with today's high level of steering comfort. The hydraulic fallback level in turn preferably has a purely mechanical fallback level.
Der elektrisch arbeitende Lenkhandrad-Aktuator kann ebenso aufgebaut sein, wie der Stellmotor, der das Servoventil steuert. Durch diese Gleichteile und den Einsatz von Serienkomponenten ist eine risikoarme SbW-Lenkung mit allen Vorteilen dieses Systems realisierbar. Auch Fahrzeuge mit großen Lenkkräften können ohne Änderung der heutigen Fahrzeugkonzepte (Hydraulikpumpe wird mit Keilriemen vom Verbrennungsmotor angetrieben) mit diesem SbW-System ausgestattet werden. Die hydraulische Energie für dieses System kann auch über ein Elektromotor-Pumpen-Aggregat bereitgestellt werden, wobei die Pumpe oder deren Motor elektrisch in Abhängigkeit vom Energiebedarf geregelt werden kann.The electrically operated steering handwheel actuator can also be constructed like the servomotor that controls the servo valve. Through these common parts and The use of series components is a low-risk SbW steering with all Advantages of this system can be realized. Even vehicles with large steering forces can without changing today's vehicle concepts (hydraulic pump with V-belt driven by the combustion engine) with this SbW system be equipped. The hydraulic energy for this system can also be over an electric motor pump unit are provided, the pump or whose motor can be controlled electrically depending on the energy requirement can.
Einen konstruktiven Vorteil bietet das Anordnen der Schaltkupplung mit dem/den Antrieb(en) direkt an der Servolenkung oder direkt an der Lenkhandradlagerung. In der weiteren Beschreibung wird die Ausführung betrachtet, bei der die Schaltkupplung mit den Antrieben mit einer Servolenkung verbunden ist.Arranging the clutch with offers a constructive advantage the drive (s) directly on the power steering or directly on the Lenkhandradlagerung. In the further description the execution considered, in which the clutch with the drives with a power steering connected is.
Wenn ein drehbares Kupplungsteil (Kupplungsscheibe) einen großen Durchmesser aufweist und gleichzeitig als Getrieberad ausgeführt ist, kann der zugehörige Elektromotor (Aktuator bzw. Stellmotor) auf Grund der Getriebeübersetzung klein ausgeführt sein. Diese günstige Bauart kann bei den vorhandenen Platzproblemen im Fahrzeug entscheidend für den Einsatz des gesamten SbW-Lenksystems sein.If a rotatable clutch part (clutch disc) a large Has diameter and is designed as a gear wheel, the associated electric motor (actuator or servomotor) due to the Gear ratio be made small. This inexpensive design can with the existing space problems in the vehicle decisive for the use of the entire SbW steering system.
Die Schaltkupplung kann bevorzugt als federbelastete Ruhestrom-Zahnkupplung ausgeführt sein. Die Kupplungsscheibe oder -scheiben, welche als Getrieberad ausgeführt ist/sind, haben dann axial und radial eine Verzahnung.The clutch can preferably be a spring-loaded quiescent current tooth clutch be executed. The clutch disc or disks, which act as a gear wheel is / are then axially and radially toothed.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is in the drawing shown and explained in more detail below.
Schematisch ist gezeigt inSchematic is shown in
Fig. 1 ein Lenksystem mit den Merkmalen der Erfindung, Fig. 1, a steering system having the features of the invention,
Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine Baueinheit mit Schaltkupplung und elektrischen Motoren. Fig. 2 is a longitudinal section through an assembly with clutch and electric motors.
Im Wesentlichen gleiche Teile in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Substantially the same parts in different figures are the same Provide reference numerals.
In Fig. 1 ist von einem Aufbau ausgegangen, der bekannte Komponenten einer
hydraulischen Zahnstangenhydrolenkung enthält, nämlich
In Fig. 1 is assumed to a structure that contains known components of a hydraulic rack and pinion power steering, namely
- - einen hydraulischen Lenksteller 6 mit einem Zylinder und einem Kolben mit Kolbenstangen, von denen eine in eine Zahnstange als Teil eines Lenkgetriebes 12 übergeht, an welche eine Spurstange 11 angelenkt ist; an der anderen Kolbenstange ist eine Spurstange 10 angelenkt; an den Spurstangen greifen Spurhebel von lenkbaren Fahrzeugrädern 1 an,- A hydraulic steering actuator 6 with a cylinder and a piston with piston rods, one of which merges into a rack as part of a steering gear 12 , to which a tie rod 11 is articulated; a tie rod 10 is articulated on the other piston rod; track levers of steerable vehicle wheels 1 act on the tie rods,
- - als Drehmoment-Übertragungsstrang eine Lenksäule 2a, 2b mit einem Lenkhandrad als Lenkhandhabe 3,- As a torque transmission line a steering column 2 a, 2 b with a steering handwheel as a steering handle 3 ,
- - ein Lenkgetriebe 12 zur Umsetzung der Drehbewegung der Lenksäule in eine Seitwärtsbewegung einer Zahnstange, die zugleich Kolbenstange des hydraulischen Lenkstellers 6 ist, und- A steering gear 12 for converting the rotary movement of the steering column into a sideways movement of a rack, which is also the piston rod of the hydraulic steering actuator 6 , and
- - ein Servoventil 4, das von dem Drehmoment gesteuert wird, welches vom Lenkhandrad 3 über die Lenksäule auf das Lenkgetriebe übertragen wird. Das Servoventil 4 (beispielsweise ein Drehschieberventil) steuert den Zu- und Abfluss von Öl über Druckleitungen 13 zum Zylinder des Lenkstellers 6. Weitere Leitungen 14 und eine Ölpumpe 15 dienen der Versorgung mit Drucköl.- A servo valve 4 which is controlled by the torque which is transmitted from the steering handwheel 3 via the steering column to the steering gear. The servo valve 4 (for example a rotary slide valve) controls the inflow and outflow of oil via pressure lines 13 to the cylinder of the steering actuator 6 . Further lines 14 and an oil pump 15 are used to supply pressure oil.
Weiterhin ist eine Schaltkupplung 5 mit Kupplungshubmagnet 5a vorgesehen, die im geschlossenen Zustand die obere Teil-Lenksäule 2a mit der unteren Teil- Lenksäule 2b drehsteif verbindet; in diesem Zustand arbeitet das dargestellte Lenksystem als übliche hydraulische Servolenkung. Furthermore, a clutch 5 with clutch solenoid 5 a is provided, which connects the upper part of the steering column 2 a with the lower part of the steering column 2 b torsionally rigid in the closed state; in this state, the steering system shown works as a conventional hydraulic power steering.
Ergänzt wird das bisher beschriebene Lenksystem durch zwei elektrische Motoren, die das Lenksystem bei geöffneter Schaltkupplung 5 zu einem SbW- Lenksystem machen. Der auf die obere Teil-Lenksäule 2a direkt (das heißt als Direktantrieb) oder über ein Getriebe einwirkende Elektromotor 8 dient als Aktuator zur Ausübung von Dreh-Kräften auf den oberen Teil 2a der Lenksäule und wird Lenkhandrad-Aktuator genannt. Er überträgt über die Lenkhandhabe auf einen das Lenksystem bedienenden Fahrer Kräfte, um dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl zu geben, wobei auch die Kräfte an den Fahrzeugrädern 1 mit berücksichtigt werden können.The steering system described so far is supplemented by two electric motors which make the steering system an SbW steering system when the clutch 5 is open. The electric motor 8 acting directly on the upper part of the steering column 2 a (that is, as a direct drive) or via a gear serves as an actuator for exerting rotational forces on the upper part 2 a of the steering column and is called the steering handwheel actuator. It transmits forces via the steering handle to a driver operating the steering system in order to give the driver a good steering feel, wherein the forces on the vehicle wheels 1 can also be taken into account.
Der andere Motor dient bei geöffneter Schaltkupplung 5 als Stellmotor 7 für das hydraulische Servoventil 4 und wirkt auf dieses Servoventil 4 von derselben Seite ein wie die Teil-Lenksäule 2b, die drehfest mit dem unteren Teil der Schaltkupplung 5 verbunden ist. Der Stellmotor 7 dient also als Ventilaktuator.The other motor is used when the clutch 5 is open as a servomotor 7 for the hydraulic servo valve 4 and acts on this servo valve 4 from the same side as the part steering column 2 b, which is rotatably connected to the lower part of the clutch 5 . The servomotor 7 thus serves as a valve actuator.
Im Normalbetrieb (also bei geöffneter Schaltkupplung 5) vermittelt der gesteuerte elektrische Aktuator 8 dem Fahrer das Fahrgefühl. Zugleich ermittelt ein nicht dargestellter Winkelsensor oberhalb der Schaltkupplung 5 die Auslenkung der Lenkhandhabe 3 und steuert entsprechend den Stellmotor 7, der das Servoventil 4 fortwährend einstellt, das wiederum den Lenksteller 6 steuert, damit dieser die Fahrzeugräder lenkt.In normal operation (that is to say when the clutch 5 is open), the controlled electrical actuator 8 gives the driver the feeling of driving. At the same time, an angle sensor (not shown) above the clutch 5 determines the deflection of the steering handle 3 and accordingly controls the servomotor 7 , which continuously adjusts the servo valve 4 , which in turn controls the steering actuator 6 so that it steers the vehicle wheels.
Bei vorbestimmbaren Störungen wird die Schaltkupplung 5 automatisch geschlossen und je nach Störungsart auch der Stellmotor 7 abgeschaltet. Dann wirkt das dargestellte Lenksystem wie eine handelsübliche hydraulische Servolenkung.In the event of predeterminable faults, the clutch 5 is automatically closed and, depending on the type of fault, the servomotor 7 is also switched off. Then the steering system shown acts like a commercial hydraulic power steering.
Wird die Erfindung nicht im Zusammenwirken mit einer hydraulischen Servolenkung, sondern mit einer elektrischen Servolenkung benutzt, so entfallen in Fig. 1 der Kolben im Zylinder, das Servoventil 4, die Leitungen 13, 14 und die Pumpe 15; der Stellmotor 7 kann dann unmittelbar als Lenksteller der elektrischen Servolenkung eingesetzt werden.If the invention is used not with a hydraulic power steering system but with an electric power steering system, the piston in the cylinder, the servo valve 4 , the lines 13 , 14 and the pump 15 are omitted in FIG. 1; the servomotor 7 can then be used directly as a steering actuator of the electric power steering.
Fig. 2 zeigt konstruktive Details einer kompakten Baueinheit, welche eine Schaltkupplung mit Kupplungsscheiben 21, 23, einen Kupplungshubmagnet 5a, einen elektrischen Direktantrieb mit Stator 24 und Rotor 23 als Lenkhandrad- Aktuator (8 in Fig. 1) und einen Stellmotor 7 aufweist. Fig. 2 shows structural details of a compact unit, which has a clutch with clutch disks 21 , 23 , a clutch solenoid 5 a, an electric direct drive with stator 24 and rotor 23 as a steering wheel actuator (8 in Fig. 1) and a servomotor 7 .
Mit der Teil-Lenksäule 2a ist die Kupplungsscheibe 23 drehstarr verbunden. Durch Einschalten des Kupplungshubmagneten 5a lässt sich die Kupplung lösen. Bei abgeschaltetem Kupplungshubmagnet greifen die Kupplungsscheiben 21, 23 über eine Axialverzahnung 27 am Rand ineinander. Die Kupplungsscheibe 21 ist mit einem Drehschieber 25 und dem rechten Ende einer Torsionsfeder (Drehstab) 26 verbunden, die zusammen mit der Steuerbuchse 29 das Servoventil (4 in Fig. 1) bilden. Das linke Ende des Drehstabs 26 ist mit einem Ritzel 28 verbunden, das zusammen mit einer nicht gezeigten Zahnstange das Lenkgetriebe (12 in Fig. 1) bildet.With the partial steering column 2 a, the clutch disc 23 is connected in a torsionally rigid manner. The clutch can be released by switching on the clutch solenoid 5 a. When the clutch lifting magnet is switched off, the clutch disks 21 , 23 engage in one another at the edge via an axial toothing 27 . The clutch disc 21 is connected to a rotary valve 25 and the right end of a torsion spring (torsion bar) 26 , which together with the control bush 29 form the servo valve (4 in Fig. 1). The left end of the torsion bar 26 is connected to a pinion 28 which, together with a rack, not shown, forms the steering gear (12 in FIG. 1).
Dasjenige drehbare Kupplungsteil (Kupplungsscheibe) 21, welches mit dem Servoventil-Eingang (Drehschieber 25) verbunden ist, dient als Getrieberad des Ventilaktuators 7. Diese Kupplungsscheibe 21 könnte auch den Rotor bei einem Direktantrieb bilden. Entsprechend könnte die zweite Kupplungsscheibe 23, die als Rotor bei einem Direktantrieb 23, 24 ausgeführt ist, als Getrieberad eines elektrischen Lenkhandrad-Aktuator (8 in Fig. 1) ausgebildet sein.The rotatable clutch part (clutch disc) 21 , which is connected to the servo valve input (rotary slide valve 25 ), serves as the gear wheel of the valve actuator 7 . This clutch disc 21 could also form the rotor in a direct drive. Correspondingly, the second clutch disc 23 , which is designed as a rotor in a direct drive 23 , 24, could be designed as a gear wheel of an electric steering wheel actuator (8 in FIG. 1).
Der Vorteil dieser Bauarten besteht in dem platzsparenden Aufbau und in einer Vielzahl an möglichen Varianten, um den Bauraum im Fahrzeug optimal zu nutzen.The advantage of these types is the space-saving construction and one A multitude of possible variants to optimize the installation space in the vehicle use.
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