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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs
sowie eine Kraftfahrzeugbaureihe mit mehreren Kraftfahrzeugvarianten.
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In
Kraftfahrzeugen werden zumeist elektrische Servolenksysteme bzw.
elektromechanische Servosteller (electronic power steering, EPS)
eingesetzt. Wünschenswert
ist jedoch eine Kombination eines elektrischen Servolenksystems
mit einer Überlagerungslenkung
bzw. einem Überlagerungswinkelsteller
(active steering, AS), um sowohl ein variables Unterstützungsmoment
als auch ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen
Lenkradwinkel und mittlerem Lenkwinkel der lenkbaren Räder der
Kraftfahrzeuge funktional realisieren zu können.
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Eine
Kraftfahrzeugbaureihe bzw. Fahrzeugplattform eines Kraftfahrzeugherstellers
umfasst in der Regel mehrere Kraftfahrzeugvarianten bzw. Kraftfahrzeugtypen
mit unterschiedlichen Ausstattungen, Karosserien und/oder Motorisierungen
oder dergleichen. Der Großteil
der Fahrzeuge einer derartigen Baureihe weist dabei eine übliche elektrische Lenkung
bzw. ein übliches
elektrisches Servolenksystem auf, welches aus dem vorhandenen 12 Volt-Bordnetz
gespeist werden kann. Ein kleinerer Teil der Baureihe wird zusätzlich mit
einer Überlagerungslenkung
ausgestattet. Dabei handelt es sich in der Regel um hochwertige,
gut ausgerüstete
Kraftfahrzeuge, insbesondere mit größeren bzw. stärkeren Motortypen,
welche zumeist auch ein höheres Gewicht
aufweisen. Die Kombination mit Überlagerungslenkungsmitteln
bedingt eine höhere
Lenkgeschwindigkeit an den gelenkten Rädern, da sich die Zahnstange
durch das zusätzliche Überlagerungsgetriebe
wesentlich schneller bewegen kann. Des weiteren ergeben sich höhere Lenkkräfte durch
das erhöhte
Gewicht der in Frage kommenden Kraftfahrzeuge, so dass insgesamt
eine deutlich höhere
Lenkleistung als bei den Kraftfahrzeugen der Baureihe ohne Überlagerungslenkung
notwendig ist.
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Demzufolge
wird bisher bei Kraftfahrzeugen einer Kraftfahrzeugbaureihe, welche
zusätzlich
mit Überlagerungslenkungsmitteln
versehen sind, das bestehende elektrische Servolenksystem der Kraftfahrzeugbaureihe
bzw. Fahrzeugplattform aufgrund der erforderlichen höheren Lenkleistung
entsprechend beispielsweise hinsichtlich Getriebe, elektronischem
Motorsteuergerät
bzw. Steuerteil, elektrischem Leistungsteil für den Elektromotor und Elektromotor
aufwändig
angepasst, was bei geringeren Herstellungsstückzahlen oft nicht rentabel
ist.
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In
der
DE 100 13 711
A1 ist ein Lenksystem beschrie ben, das unter anderem einen
Servoantrieb zur Momentenunterstützung
aufweist. Der Servoantrieb kann elektrisch arbeiten. Des weiteren
sind neben dem Servoantrieb auch Überlagerungsmittel vorgesehen,
welche einen Zusatzwinkel generieren und den von der Lenkhandhabe
vorgegebenen Lenkradwinkel mit diesem Zusatzwinkel überlagern.
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Ausgehend
davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
bestehendes elektrisches Servolenksystem einer Kraftfahrzeugplattform
mit Überlagerungslenkungsmitteln
derart zu kombinieren, dass die Komponenten des bestehenden elektrischen
Servolenksystems, insbesondere das elektronische Steuerteil, der
Elektromotor und das Leistungsteil für den Elektromotor, bei geforderter
höherer
Lenkleistung im wesentlichen unverändert bleiben können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch
1 gelöst.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Kraftfahrzeugbaureihe durch Anspruch
12 gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
in einfacher und vorteilhafter Weise ein bestehendes im wesentlichen
einheitliches elektrisches Servolenksystem einer Kraftfahrzeugbaureihe
bzw. Kraftfahrzeugplattform mit einem Überlagerungslenkungssystem
kombiniert. Das bestehende elektrische Servolenksystem wird unverändert gelassen und
die Überlagerungslenkung
kann beispielsweise in der Lenksäule
untergebracht werden. Bei dem bestehenden elektrischen Servolenksystem
wird die durch die Überlagerungslenkungsmittel
erforderliche Erhöhung
der Lenkleistung durch einen Betrieb wenigs tens des Leistungsteils
für den
Elektromotor bzw. des Elektromotors des elektrischen Servolenksystems
mit einer gegenüber
dem üblichen
12Volt-Bordnetz der Kraftfahrzeugvarianten der Kraftfahrzeugbaureihe
erhöhten
Versorgungsspannung bereitgestellt. Dadurch kann der Elektromotor
bei gleichem Motormoment bzw. Zahnstangenkraft eine höhere Drehzahl
erzeugen und somit der höheren
Lenkleistung entsprechen. Das einheitliche Motormoment ist bereits
an die Erfordernisse der hochwertigen bzw. gut ausgerüsteten und
schweren Kraftfahrzeugvarianten der Kraftfahrzeugbaureihe angepasst,
so dass lediglich die Drehzahl zur Steigerung der Lenkleistung erhöht werden
muss. Durch die Spannungserhöhung
können
die Bauteile des bestehenden elektrischen Servolenksystems im wesentlichen
gleich bleiben, was zu weitaus geringeren Herstellungskosten führt. Somit
muss für
die relativ geringe Stückzahl
der hochwertigen Kraftfahrzeuge mit Überlagerungslenkung kein eigenes
elektrisches Servolenksystem entwickelt bzw. hergestellt werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn bei Vorhandensein der zusätzlichen Überlagerungslenkungsmittel
zusätzlich
ein Betrieb des elektronischen Steuerteils bzw. Steuergeräts des elektrischen
Servolenksystems mit einer gegenüber
der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs erhöhten Versorgungsspannung vorgesehen
ist. Das elektronische Steuerteil, das Leistungsteil für den Elektromotor
und/oder der Elektromotor des elektrischen Servolenksystems sind
dazu für
einen Betrieb mit einer gegenüber
der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs erhöhten Versorgungsspannung ausgelegt.
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In
erfindungsgemäßer Ausgestaltung
kann vorgesehen sein, dass die erhöhte Versorgungsspannung gegenüber der
Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs um nominell 25% bis 35%, vorzugsweise
30% erhöht
ist. Die Last- bzw.
Betriebsspannungswerte können
von diesen Werten abweichen.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass zur Bereitstellung der gegenüber der Bordnetzspannung des
Kraftfahrzeugs erhöhten
Versorgungsspannung ein Schaltungssystem vorgesehen ist.
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Die
Bordnetzspannung bei Personenkraftfahrzeugen beträgt regelmäßig 12 V.
Zur Bereitstellung der erhöhten
Versorgungsspannung kann ein entsprechendes Schaltungssystem vorgesehen
sein. Des weiteren können
auch bereits vorhandene Systeme in Fahrzeugen zur Bereitstellung
einer erhöhten Spannung,
beispielsweise für
eine Frontscheibenheizung oder dergleichen, genutzt werden.
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Erfindungsgemäß kann ferner
vorgesehen sein, dass das Schaltungssystem einen Spannungswandler
aufweist, wobei das Schaltungssystem die erhöhte Versorgungsspannung aus
der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs erzeugt.
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In
vorteilhafter Weise kann das bestehende 12 Volt-Bordnetz bei Personenkraftfahrzeugen
in Verbindung mit einem Spannungswandler dazu verwendet werden,
um eine mittlere Leistung zur Verfügung zu stellen. In der Regel
sind die beschriebenen Lenksysteme Kurzzeit-Energieverbraucher, so dass im Mittel
eine relativ ge ringe Leistung erforderlich ist, jedoch speziell,
insbesondere wenn die Räder
weit eingeschlagen sind, eine sehr hohe Spitzenleistung erforderlich
ist. Derartige hohe Spitzenleistungen, welche über das Bordnetz hinausgehen,
können
in vorteilhafter Weise aus einem parallel geschalteten Zwischenspeicher
bedient werden.
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Alternativ
zu dem Spannungswandler kann das Schaltungssystem einen Zweispannungsgenerator
aufweisen. Auch hier kann ein Zwischenspeicher vorgesehen sein.
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Als
Zwischenspeicher eignen sich hierzu, beispielsweise mehrere Kondensatoren
(double layer capacity, DLC). Des weiteren könnte auch eine weitere Batterie,
insbesondere mit einer gegenüber der
Bordnetzspannung erhöhten
Spannung beispielsweise eine Lastkraftwagen-Batterie (24V) oder eine Reihenschaltung
von mehreren Personenkraftwagen-Batterien vorgesehen sein. Der Zwischenspeicher
wird immer auf eine Höchstgrenze
geladen, um bei Spitzenleistungen zum Einsatz zu kommen.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn das Schaltungssystem einen zu der Bordnetzschaltung
in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicher bzw. Zwischenspeicher,
welcher über
einen Ladeschaltung aufladbar ist, aufweist.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird ein wesentlich geringerer Zwischenspeicher
benötigt,
da sich die Spannungen addieren. Bei mehrstufigen bzw. kaskadierten
Energiespeichern, werden wesentlich weniger Einzelelemente als bei
einer Parallelschaltung zum Bordnetz benötigt. Zusätzlich kann eine parallel zu
dem Zwischenspeicher geschaltete passive oder aktive Überbrückungsschaltung
mit einer Leistungsdiode bzw. elektronischen (MOSFET) oder elektromechanischen
Schaltern (Relais) vorgesehen sein.
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Nachfolgend
sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Servolenksystems;
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2 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Servolenksystems mit Überlagerungsmitteln;
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3a ein
vereinfachtes Diagramm einer erforderlichen Lenkleistung eines elektrischen
Servolenksystems;
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3b eine
vereinfachtes Kennliniendiagramm eines Elektromotors bei zwei verschiedenen Spannungen;
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4 eine
schematische Schaltungsskizze eines Schaltungssystems zur Erzeugung
einer erhöhten
Spannung gemäß einer
ersten Ausführungsform;
und
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5 eine
schematische Schaltungsskizze eines Schaltungssystems zur Erzeugung
einer erhöhten
Spannung gemäß einer
zweiten Ausführungs form.
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Eine
Kraftfahrzeugbaureihe (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugherstellers
weist mehrere Kraftfahrzeugvarianten mit unterschiedlichen Ausstattungen,
Karosserien und Motorentypen bzw. Motorisierungen auf. Die Kraftfahrzeugvarianten
sind mit einem in 1 dargestellten im wesentlichen
einheitlichen elektrischen Servolenksystem 1 ausgestattet.
Bei einem Teil der Kraftfahrzeugbaureihe sind zusätzlich Überlagerungslenkungsmittel
vorgesehen.
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Das
Servolenksystem 1 weist eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe 2 auf.
Das Lenkrad 2 ist über
eine Gelenkwelle 3 mit einem Lenkgetriebe 4 verbunden.
Das Lenkgetriebe 4 dient dazu, einen Drehwinkel der Gelenkwelle 3 in
einen Lenkwinkel δFm von lenkbaren Rädern 5a, 5b des
Kraftfahrzeugs umzusetzen. Durch das Lenkrad 2 wird ein
Lenkradwinkel δS als Maß für einen
gewünschten
Lenkwinkel δFm der lenkbaren Räder 5a, 5b des
Kraftfahrzeugs vorgegeben. Das Lenkgetriebe 4 weist eine
Zahnstange 6 und ein Ritzel 7 auf, welches an
die Gelenkwelle 3 angreift. Das elektrische Servolenksystem 1 weist
des weiteren einen elektrischen Servoantrieb 8 mit einem
Elektromotor 9 auf, welcher über ein nicht dargestelltes
Getriebe bzw. Servogetriebe der Bereitstellung einer variablen Momentenunterstützung dient.
Der Elektromotor 9 weist ein Leistungsteil 10 auf
und wird über
ein elektronisches Steuerteil bzw. Motorsteuergerät 11 gesteuert.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßes elektrisches
Servolenksystem 1' eines
nicht dargestellten Kraftfahr zeugs eines Teils einer Kraftfahrzeugbaureihe
mit Überlagerungslenkungsmitteln 12 vereinfacht dargestellt.
Das Servolenksystem 1' umfasst
die in der Lenksäule
untergebrachten Überlagerungslenkungsmittel 12,
die einen als Elektromotor ausgebildeten Stellantrieb 13 und
ein von diesem angetriebenes Überlagerungsgetriebe 14 aufweisen.
Das Überlagerungsgetriebe
ist als Planetengetriebe 14 ausgebildet. Mit Hilfe des
Stellantriebs 13 wird ein Zusatzwinkel δM generiert
und durch das Überlagerungsgetriebe 14 mit
dem Lenkradwinkel δS überlagert.
Der Zusatzwinkel bzw. Motorwinkel δM wird
zur Verbesserung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs bzw. des Komforts
erzeugt. Die Summe aus Lenkradwinkel δS und
Zusatzwinkel δM ergibt einen Eingangswinkel des Lenkgetriebes 4 bzw.
einen Ritzelwinkel δG. Der Stellantrieb 13 wird durch
ein nicht dargestelltes elektronisches Steuergerät gesteuert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Servolenksystem 1' ist zur Erhöhung der
Lenkleistung des elektrischen Servoantriebs 8 bzw. des
Elektromotors 9, um die höheren, durch die Überlagerungsmittel
bzw. Überlagerungslenkungsmittel 12 bedingten
Lenkgeschwindigkeiten der Zahnstange 6 bei gleichzeitigen höheren Lenkkräften aufgrund
des höheren
Gewichts des gut ausgerüsteten
Kraftfahrzeugs erzeugen zu können,
ein Betrieb des Leistungsteils 10 für den Elektromotor 9 bzw.
des Elektromotors 9 mit einer gegenüber der Bordnetzspannung des
Kraftfahrzeugs (12V) erhöhten
Versorgungsspannung vorgesehen. Die Versorgungsspannung ist gegenüber der Bordnetzspannung
des Kraftfahrzeugs um nominell 30% erhöht. Jedoch sind in weiteren
Ausführungsbeispielen
auch andere Erhöhungen,
insbesondere um 25% bis 35% denkbar. Unter Last bzw. im Betrieb sind
hiervon abweichende Werte zu erwarten. Das Motormoment des Elektromotors 9 des
elektrischen Servolenksystems 1, 1' ist einheitlich bereits für die gut
ausgerüsteten
Kraftfahrzeugvarianten der Kraftfahrzeugbaureihe ausgelegt, so dass
zur gewünschten
Erhöhung
der Lenkleistung lediglich die Drehzahl gesteigert werden muss.
Dadurch können
in vorteilhafter Weise die bestehenden im wesentlichen einheitlichen
Komponenten des elektrischen Servoantriebs 8 der Kraftfahrzeugbaureihe,
insbesondere das elektronische Leistungsteil 10 für den Elektromotor 9,
das Steuerteil 11, das nicht dargestellte Servogetriebe
und der Elektromotor 9 unverändert beibehalten werden, was
zu weitaus geringeren Herstellungskosten führt. Somit muss für die relativ
geringe Stückzahl
der hochwertigen Kraftfahrzeuge mit Überlagerungslenkung kein eigenes
elektrisches Servolenksystem 1, 1' entwickelt bzw. hergestellt werden.
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Das
elektronische Steuerteil 11, das Leistungsteil 10 für den Elektromotor 9 und
der Elektromotor 9 des elektrischen Servolenksystems 1, 1' der Kraftfahrzeugbaureihe
sind für
einen Betrieb mit einer gegenüber
der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs erhöhten Versorgungsspannung ausgelegt.
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Zusätzlich kann
in weiteren Ausführungsbeispielen
auch ein Betrieb des elektronischen Steuerteils 11 des
elektrischen Servolenksystems 1, 1' mit einer gegenüber der
Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs erhöhten Versorgungsspannung vorgesehen
sein.
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In 3a ist
ein vereinfachtes Diagramm einer erforderlichen Lenkleistung P1
(z.B. 0,6 kW) des elektrischen Servoantriebs 8 in einer
Kraftfahrzeugvariante eines Teils der Kraftfahrzeugbaureihe ohne Überlagerungsmittel 12 und
eine erforderliche Lenkleistung P2 (z.B. 1 kW, gestrichelt angedeutet)
in einer weiteren Kraftfahrzeugvariante mit Überlagerungsmitteln 12 dargestellt.
Auf der horizontalen Achse ist die Zahnstangengeschwindigkeit VZ
und auf der vertikalen Achse die Zahnstangenkraft FZ aufgetragen.
Ein Pfeil 15 soll die Steigerung der Lenkleistung andeuten.
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In 3b ist
ein vereinfachtes Diagramm einer Motorkennlinie K1 (für 12 V Spannung),
beispielsweise für
eine permanent erregte Synchronmaschine, welche als Elektromotor 9 in
Frage kommt, dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist eine Drehzahl
D des Elektromotors 9 und auf der vertikalen Achse ein
Motormoment M des Elektromotors 9 aufgetragen. Bei einer
höheren
Spannung erhält
man eine Kennlinie K2 (gestrichelt dargestellt), beispielsweise
für 17
V Spannung. Wie ersichtlich erhält
man bei gleichem Motormoment M eine höhere Drehzahl D. Somit kann
bei dem erfindungsgemäßen Servolenksystem 1' die Lenkleistung
bzw. die Lenkgeschwindigkeit des elektrischen Servoantriebs 8 durch Anlegen
einer höheren
Spannung erzeugt werden.
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In
den 4 und 5 sind Schaltungssysteme 16, 16' zur Bereitstellung
bzw. Erzeugung einer erhöhten
Spannung dargestellt.
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Wie
aus 4 ersichtlich, wird das Leistungsteil 10 für den Elektromotor 9 (d.h.
der Elektromotor 9) und/oder das Steuerteil 11 über das
Schaltungssystem 16 mit einer Versorgungsspannung betrieben.
Im Schaltungssystem 16 erzeugt ein Hochsetzsteller bzw.
Spannungswandler 17 die Versorgungsspannung aus der 12
Volt-Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs. Alternativ kann ein Zweispannungsgenerator 18 die
erhöhte
Spannung erzeugen. Dazu ist ein Zwischenspeicher 19 parallel
geschaltet, welcher die Spannungsspitzen versorgt, so dass eine annähernd konstante
erhöhte
Versorgungsspannung bereitgestellt werden kann. In weiteren Ausführungsbeispielen
kann auch auf den Zwischenspeicher 19 verzichtet werden.
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Als
Zwischenspeicher 19 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
mehrere Kondensatoren (double layer capacity, DLC) vorgesehen. Des
weiteren könnten
auch als Zwischenspeicher 19 eine Batterie mit gegenüber dem
12 Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs erhöhter Spannung (z.B. 24 Volt-Lastkraftwagenbatterie)
oder eine Reihenschaltung mehrerer Personenkraftwagen-Batterien
(12 Volt) vorgesehen sein. Der Zwischenspeicher 19 wird
immer auf ein Höchstgrenze
geladen, um bei Spitzenleistung zum Einsatz zu kommen.
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In 5 ist
ein weiteres Schaltungssystem 16' zur Erzeugung einer erhöhten Spannung
aus einer Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs als Versorgungsspannung
für das
Leistungsteil 10 für
den Elektromotor 9 (d.h. den Elektromotor 9) und/oder das
Steuerteil 11 dargestellt. Der Zwischenspeicher 19 ist
zum normalen 12 Volt-Bordnetz bzw. zur Bordnetzspannung (Kraftfahrzeugbatterie 20 und
Bordnetzgenerator 21) in Reihe geschaltet. Der Zwischenspeicher 19 wird über eine
einen Spannungswandler bzw. Hochsetzsteller aufweisende Ladeschaltung 22 geladen.
In vorteilhafter Weise kann dadurch der Zwischenspeicher 19 kleiner
ausgelegt werden.
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- 1,
1'
- elektrisches
Servolenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Gelenkwelle
- 4
- Lenkgetriebe
- 5a,
5b
- lenkbare
Räder
- 6
- Zahnstange
- 7
- Ritzel
- 8
- elektrischer
Servoantrieb
- 9
- Elektromotor
- 10
- Leistungsteil
- 11
- Steuerteil
- 12
- Überlagerungsmittel
- 13
- Stellantrieb
- 14
- Überlagerungsgetriebe
- 15
- Pfeil
- 16
- Schaltungssystem
- 17
- Spannungswandler
- 18
- Zweispannungsgenerator
- 19
- Zwischenspeicher
- 20
- Kraftfahrzeugbatterie
- 21
- Bordnetzgenerator
- 22
- Ladeschaltung
- δS
- Lenkradwinkel
- δG
- Ritzelwinkel
- δM
- Zusatzwinkel
- δFm
- Lenkwinkel