DE10060374A1

DE10060374A1 - Steer-by-Wire-Lenkung mit hydraulischem Feedback-Aktuator

Info

Publication number: DE10060374A1
Application number: DE2000160374
Authority: DE
Inventors: Herbert Lohner; Peter Dominke; Chi-Thuan Cao; Wolfgang Pfeiffer; Klaus-Dieter Leimbach; Bernd Mueller; Werner Harter; Peter Blessing; Juergen Schuele
Original assignee: Robert Bosch GmbH; ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-27
Also published as: WO2002046020A1

Abstract

Es wird ein steer-by-wire-Lenksystem vorgeschlagen, bei dem der Lenkradaktuator als hydraulischer Pumpmotor (7) ausgeführt ist, so dass eine feinfühlige und regelungstechnisch gut beherrschbare Rückmeldung der Fahrbahneinflüsse an das Lenkrad (1) möglich ist. Außerdem ist ein hydraulischer Arbeitszylinder (11) vorgesehen, welcher auf die gelenkten Räder (3) des Fahrzeugs einwirken kann, so dass beim Ausfall des steer-by-wire-Betriebes der Lenkradaktuator als hydraulische Pumpe eingesetzt wird, die in den Arbeitszylinder fördert und somit die Stellung der gelenkten Räder steuert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem steer-by-wire-Lenksystem für Fahrzeuge mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden elektronisch geregelten Lenksteller, mit einem Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad übertragenden Feedback-Aktuator und mit einer Rückfallebene, wobei die Rückfallebene bei Ausfall der steer-by-wire-Lenkung den Fahrerlenkwunsch vom Lenkrad direkt auf die gelenkten Räder überträgt.

Im Gegensatz zu konventionellen Lenksystemen ist bei steer- by-wire-Lenksystemen die Stellung der gelenkten Räder nicht direkt mit dem Lenkrad gekoppelt. Der Fahrerlenkwunsch wird von einem Lenkradsensor abgegriffen, ggf. modifiziert und in Abhängigkeit des modifizierten Fahrerlenkwunsches wird über einen Lenksteller die Stellung der gelenkten Räder geregelt. Bei diesen Lenksystemen können sowohl der Fahrkomfort als auch die Fahrstabilität des Fahrzeugssgegenüber konventionellen Lenksystemen weiter erhöht werden. Allerdings ist in jedem Fall eine Rückfallebene vorzusehen, die bei Ausfall der steer-by- wire-Lenkung eine sichere Übertragung des Fahrerlenkwunsches gewährleistet. Dies wird in der Regel dadurch realisiert, dass zwischen Lenkgetriebe und Lenkrad eine Kupplung vorgesehen wird, die im steer-by-wire-Betrieb geöffnet ist und durch deren Einrücken eine mechanische Lenkung, nachfolgend als Rückfallebene bezeichnet, aktiviert wird.

Um im steer-by-wire-Betrieb die Rückmeldungen der Straße auf das Lenkrad zu simulieren, ist es notwendig, am Lenkrad bzw. der Lenksäule einen Feedback-Aktuator vorzusehen. Dieser Feedback-Aktuator besteht in der Regel aus einem Elektromotor, der über ein Untersetzungsgetriebe auf die Lenksäule wirkt. Nachteilig an diesen Lenkradaktuatoren ist, dass ihre Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist, der Platzbedarf im Bereich der Lenksäule erheblich ist und außerdem das Spiel des Untersetzungsgetriebes ein unerwünschtes "Knacken" verursachen kann. Schließlich ist die Regelung des vom Lenkradaktuator auf das Lenkrad übertragenen Drehmoments verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein steer-by- wire-System für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, welches einen hohen Lenkkomfort gewährleistet, regelungstechnisch einfacher zu beherrschen ist und außerdem Bauraum im Bereich der Lenksäule und Kosten bei der Herstellung einspart.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein steer- by-wire-Lenksystem für Fahrzeuge mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden elektronisch geregelten Lenksteller, mit einem Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad übertragenden Lenkradaktuator und mit einer Rückfallebene, wobei die Rückfallebene bei Ausfall der steer-by-wire-Lenkung den Fahrerlenkwunsch vom Lenkrad auf die gelenkten Räder überträgt, wobei der Lenkradaktuator als hydraulischer Pumpmotor ausgebildet ist und die Rückfallebene mindestens einen auf die gelenkten Räder wirkenden hydraulischen Arbeitszylinder aufweist, der vom Pumpmotor antreibbar ist.

Vorteile der Erfindung

Durch die Verwendung eines hydraulischen Pumpmotors als Lenkradaktuator kann auf ein Untersetzungsgetriebe verzichtet werden, so dass dessen Herstellungskosten und die bei dessen Betrieb entstehenden Knackgeräusche entfallen. Wegen der hohen Leistungsdichte hydraulischer Aggregate kann der erfindungsgemäße Lenkradaktuator kompakter gebaut werden als ein Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe nach dem Stand der Technik, so dass der benötigte Bauraum im Bereich der Lenksäule gegenüber dem Stand der Technik verringert wird. Schließlich ist der hydraulische Pumpmotor regelungstechnisch einfacher zu beherrschen als ein Elektromotor, so dass sich insgesamt die Regelungstechnik des erfindungsgemäßen steer-by-wire- Lenksystems vereinfacht.

Durch die Ausbildung des Lenkradaktuators als hydraulischer Pumpmotor kann dieser beim Betrieb der Rückfallebene als Pumpe eingesetzt werden und den auf die gelenkten Räder wirkenden hydraulischen Arbeitszylinder antreiben, so dass eine hydraulische Rückfallebene mit geringem Aufwand realisiert werden kann. Hydraulische Lenkungen mit und ohne Hilfskraftunterstützung wie sie bspw. aus dem Landmaschinenbau bekannt sind, sind zuverlässig in der Lage, auch große Lenkkräfte zu übertragen.

Bei einer Variante der Erfindung ist der Pumpmotor von einer hydraulischen Druckölpumpe antreibbar, so dass sich im steer-by-wire-Betrieb ein den tatsächlichen Verhältnissen weitestgehend entsprechendes Lenkgefühl einstellt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass im steer-by-wire-Betrieb der Arbeitszylinder kurzgeschlossen ist und/oder die hydraulische Verbindung zwischen Pumpmotor und Arbeitszylinder unterbrochen ist, so dass der Arbeitszylinder die Übertragung der Rückwirkungen der Straße auf das Lenkrad nicht beeinflusst und außerdem der Lenksteller durch den Arbeitszylinder nicht behindert oder sogar blockiert wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass beim Betrieb der Rückfallebene die hydraulische Verbindung zwischen Pumpmotor und Druckölpumpe unterbrochen ist und/oder dass der Pumpmotor den Arbeitszylinder antreibt. Dadurch wird verhindert, dass die Druckölpumpe die Übertragung der Lenkbewegung vom Pumpmotor auf den Arbeitszylinder und damit auf die gelenkten Räder beeinflusst. Beim Betrieb der Rückfallebene arbeitet der Pumpmotor als Pumpe und treibt den Arbeitszylinder an.

Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, dass Pumpmotor, Arbeitszylinder und Druckölpumpe durch hydraulische Leitungen verbunden sind, dass die Umschaltung zwischen steer-by-wire-Betrieb und Rückfallebene durch Ventile erfolgt, sowie dass die Ventile als Schaltventile und/oder Regelventile ausgeführt sind, so dass das erfindungsgemäße steer-by-wire-Lenksystem aus an sich bekannten und bewährten Komponenten zusammengestellt werden kann, eine große Freiheit bei der räumlichen Anordnung der benötigten Bauteile gewährleistet ist und außerdem Herstellungs- und Montagekosten gering sind. Durch das Zusammenfassen mehrerer Ventile zu einer Baugruppe kann die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Lenkanlage weiter erhöht werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Pumpmotor als sog. Servostat mit einer Dosierpumpe und einem Steuerventil ausgebildet. Ein Servostat ist Teil einer hydraulischen Hilfskraftlenkung mit hydraulischer Übertragung der Lenkkraft auf die gelenkten Räder. Derartige Lenkungen können mit und ohne hydraulische Unterstützung betrieben werden. Die Zahnradfabrik Friedrichshafen vertreibt z. B. unter der Bezeichnung "ZF- Servostat 2" solche hydraulischen Hilfskraftlenkungen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Flüssigkeitsbehälter vorhanden, so dass evtl. auftretende Verluste von Hydraulikflüssigkeit ausgeglichen werden können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen steer-by-wire- Lenksystems.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Aufgabe jedes Lenksystems ist es, den durch Verdrehen eines Lenkrads 1 geäußerten Fahrerlenkwunsch auf die gelenkten Räder 3 eines nicht dargestellten Fahrzeugs zu übertragen. Bei steer-by-wire-Lenksystemen geschieht diese Übertragung indirekt, indem der Fahrerlenkwunsch von einer drehfest mit dem Lenkrad 1 verbundenen Lenksäule 5 mittels eines nicht dargestellten Lenkraddrehwinkelsensors abgenommen wird. Das Ausgangssignal des Lenkraddrehwinkelsensors wird zusammen mit anderen Größen wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Gier-Rate und anderem mehr in einem ebenfalls nicht dargestellten Steuergerät verarbeitet, welches einen oder mehrere mittelbar oder unmittelbar auf die gelenkten Räder 3 wirkenden Lenksteller ansteuert. Der Lenksteller ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Um im steer-by-wire-Betrieb eine Rückmeldung von der Fahrbahn auf das Lenkrad 1 zu ermöglichen, ist ein hydraulischer Pumpmotor 7 vorhanden, welcher drehfest mit der Lenksäule 5 und damit auch mit dem Lenkrad 1 verbunden ist.

Im steer-by-wire-Betrieb wird der Pumpmotor 7 von einer hydraulischen Druckölpumpe 9 angetrieben. Beim Betrieb der Rückfallebene wird der Pumpmotor 7 als Pumpe betrieben und betätigt einen auf die gelenkten Räder 3 wirkenden hydraulischen Arbeitszylinder 11.

Die Umschaltung vom steer-by-wire-Betrieb auf die Rückfallebene sowie die Regelung des Pumpmotors 7 erfolgt über Ventile V1-V7. Von den Ventilen V2, V3, V5, V6 und V7 können zwei, bspw. V2 und V3, Schaltventile sein, während die anderen zwei Ventile, z. B. V1 und V4, als Regelventile ausgebildet sind. Die Ventile V1 bis v7 werden von dem nicht dargestellten Steuergerät des Lenksystems angesteuert. Ein Flüssigkeitsbehälter 13 stellt sicher, dass auch beim Verlust von Hydraulikflüssigkeit die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Lenksystems gewährleistet ist. Der Pumpmotor 7, Druckölpumpe 9, Arbeitszylinder 11 sowie die Ventile V1 bis V7 sind durch hydraulische Leitungen 15 miteinander verbunden.

Im steer-by-wire-Betrieb sind die Ventile V5 und V6 geschlossen und das Ventil V7 geöffnet. Dadurch ist der Arbeitszylinder 11 kurzgeschlossen und folgt den Lenkbewegungen des nicht dargestellten elektrischen Lenkstellers. Im steer-by-wire-Betrieb setzt der Arbeitszylinder 11 den Lenkbewegungen der gelenkten Räder nur einen geringen Widerstand entgegen. Außerdem wird durch diese Schaltstellungen eine Entkopplung des Arbeitszylinders 11 von dem übrigen hydraulischen System, insbesondere vom Pumpmotor 7 erreicht.

Im steer-by-wire-Betrieb fördert die Druckölpumpe 9.

Abhängig von der Schaltstellung der Schaltventile und der Öffnung der Regelventile wird der Pumpmotor 7 mit unterschiedlichen Drehmomenten und in verschiedene Drehrichtungen durch die Druckölpumpe 9 angetrieben. Das dabei enstehende Drehmoment am Lenkrad 1 entspricht den Rückwirkungen der Fahrbahn auf die gelenkten Räder 3 des Fahrzeugs.

Für den Fall, dass die steer-by-wire-Lenkung oder dessen Stromversorgung ausfällt, werden die Ventile V1 bis V4 und V7 geschlossen und die Ventile V5 und V6 geöffnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn diese Ventilstellungen stromlos erreicht werden. In diesem Schaltzustand ist der Pumpmotor 7 mit dem Arbeitszylinder 11 hydraulisch verbunden und ermöglicht so bei Ausfall der steer-by-wire-Lenkung ein Verstellen der gelenkten Räder 3 abhängig vom Fahrerlenkwunsch bzw. dem Lenkraddrehwinkel. Es empfiehlt sich, die Ventile V1 bis V4 und die Ventile V5 bis V7 zu mechanischen Untereinheiten zusammenzufassen und dabei auf bekannte und bewährte Konstruktionen wie bspw. Drehschieberventile zurückzugreifen. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit des Systems gegenüber einem aus Einzelventilen aufgebauten Lenkungssystem.

Durch die hydraulische Übertragung des Fahrerlenkwunsches vom Pumpmotor 7 auf den Arbeitszylinder 11 bzw. die gelenkten Räder 3 ergeben sich große Freiheiten bei der räumlichen Anordnung der Bauteile des erfindungsgemäßen Lenksystems. Dies ist ein weiterer Vorteil der insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen von Bedeutung ist. Außerdem können mit Ausnahme der Leitungen 15 rechtsgelenkte und linksgelenkte Fahzreuge mit identischen Bauteilen realisiert werden.

Der Pumpmotor 7 kann auch ein herkömmlicher Servostat mit Speisepumpe und Steuerventil einer hydraulischen Hilfskraftlenkung sein.

Alle in der Beschreibung, der Zeichnung und deren Beschreibung sowie den Patentansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

1. Steer-by-Wire-Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit einem auf die gelenkten Räder (3) wirkenden, in Abhängigkeit des Fahrerlenkwunsches elektronisch geregelten Lenksteller, mit einem Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad (1) übertragenden Feedback-Aktuator, und mit einer Rückfallebene, dadurch gekennzeichnet, dass der Feedback- Aktuator als hydraulischer Pumpmotor (7) ausgebildet ist, dass die Rückfallebene mindestens einen auf die gelenkten Räder (3) wirkenden hydraulischen Arbeitszylinder (11) aufweist, und dass der Arbeitszylinder (11) vom Pumpmotor (7) antreibbar ist.

2. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpmotor (7) im steer-by-wire- Betrieb von einer hydraulischen Druckölpumpe (9) antreibbar ist.

3. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (11) im steer-by-wire-Betrieb kurzgeschlossen ist.

4. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im steer-by-wire- Betrieb die hydraulische Verbindung zwischen Pumpmotor (7) und Arbeitszylinder (11) unterbrochen ist.

5. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Rückfallebene der Pumpmotor (7) und der Arbeitszylinder (11) hydraulisch verbunden sind.

6. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Rückfallebene die hydraulische Verbindung zwischen Pumpmotor (7) und Druckölpumpe (9) unterbrochen ist.

7. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpmotor (7), Arbeitszylinder (11) und Druckölpumpe (9) durch hydraulische Leitungen (15) verbunden sind, und dass die Umschaltung zwischen steer-by-wire-Betrieb und Rückfallebene durch Ventile (V1 bis V7) erfolgt.

8. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (V2, V3, V5, VE, V7) als Schaltventile und/oder Regelventile (V1, V4) ausgeführt sind.

9. Steer-by-Wire-Lenksystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventile (V1, V2, V3, V4) zu einer Baugruppe zusammengefasst sind.

10. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpmotor (7) als Servostat mit einer Dosierpumpe und einem Steuerventil ausgebildet ist.

11. Steer-by-Wire-Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsbehälter (13) vorhanden ist.