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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lenkvorrichtung zur Verwendung beim Verschwenken lenkbarer Fahrzeugräder.
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Während des Betriebs eines Fahrzeugs mit lenkbaren Rädern, kann die Position eines manuell drehbaren Lenkrads für das Fahrzeug nicht mit der Position eines lenkbaren Rads des Fahrzeugs übereinstimmen. Dies kann durch Spiel in der Lenkvorrichtung, Gelenkphasenlage und/oder elastisches Nachgeben der Komponenten der Lenkvorrichtung verursacht werden. Die resultierende Differenz zwischen der gewünschten Position des lenkbaren Fahrzeugrads und der Position des Lenkrads kann für einen Fahrzeugfahrer unangenehm bzw. störend sein. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses Problem zu lösen.
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WO 2005/047085 A1 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung des Betriebs einer Fahrzeuglenkung, bei dem es vorgesehen ist, dass ein Fehler oder eine Abweichung in einer Zuordnung zwischen einem gemessenen oder ermittelten oder abgeschätzten Lenkradwinkel und einem tatsächlich erfassten oder ermittelten oder abgeschätzten Verschwenkwinkel, der eine Stellung verschwenkbarer Fahrzeugräder beschreibt, ermittelt wird, und dass ein erkannter Zuordnungsfehler oder eine erkannte Zuordnungsabweichung zwischen dem Lenkradwinkel und dem Verschwenkwinkel ausgeglichen wird.
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DE 102 10 368 A1 bezieht sich auf einen Lenkwellenstrang zwischen Lenkhandhabe und gelenkten Fahrzeugrädern einer Fahrzeuglenkung, mit einer handhabenseitigen Eingangswelle und einer räderseitigen Ausgangswelle sowie einer diese Wellen antriebsmäßig koppelnden Übertragungsvorrichtung mit durch selbsthemmend angeordneten oder ausgebildeten Motor steuerbarem Übersetzungsverhältnis. Erfindungsgemäß ist der Motor motorwellenseitig mit der einen Welle zwangsgekoppelt und motorgehäuseseitig mit der anderen Welle drehfest verbunden.
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DE 102 24 758 A1 offenbart ein Fahrzeuglenksystem. Um ein Lenksystem zu schaffen, welches gleichzeitig eine manuelle Lenkung und eine automatische Lenkung ermöglicht, und außerdem ein normales Lenkgefühl sicherstellt, sogar wenn die automatische und die manuelle Lenkung gleichzeitig durchgeführt werden, wird ein Lenksystem geschaffen, das Folgendes beinhaltet: eine Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielwerts eines reaktiven Drehmoments; eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines reaktiven Drehmoments; eine Steuerungseinheit zum Steuern eines Antriebsdrehmoments; einen Steuermechanismus zum Steuern einer Lenkrichtung von lenkbaren Fahrzeugrädern; eine Erfassungseinheit zum Erfassen des aktuellen Lenkwinkels der lenkbaren Fahrzeugräder; eine Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Zielwerts des Lenkwinkels der lenkbaren Fahrzeugräder; und eine Steuerungseinheit zum Antreiben und Steuern des Steuermechanismus für die lenkbaren Fahrzeugräder.
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Hinsichtlich einer Drehmomentsensoranordnung wird auf
US 5,369,583 A verwiesen. Hinsichtlich eines umkehrbaren Strömungsmittelmotors und eines Richtungssteuerventils wird auf
US 6,382,342 B1 und
US 6,202,694 B1 verwiesen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt durch eine Lenkvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die vorangegangenen und andere Einzelheiten der Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung offensichtlicher werden, wobei
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1 eine schematische Darstellung einer Lenkvorrichtung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und zum Verschwenken lenkbarer Fahrzeugräder verwendet wird.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Eine Lenkvorrichtung 10 (1) wird verwendet, um lenkbare Räder 12 und 14 eines Fahrzeugs ansprechend auf die manuelle Drehung eines Lenkrads 16 zu verschwenken. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Lenkgetriebeanordnung 20, die mit dem Fahrzeuglenkrad 16 durch eine Kraft übertragende Vorrichtung 22 verbunden ist.
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Ein Lenkradpositionssensor 26 besitzt eine Ausgangsgröße, die eine Funktion der Position des Lenkrads 16 ist. Ein Positionssensor 28 des lenkbaren Rades besitzt eine Ausgangsgröße, die eine Funktion der Position des lenkbaren Fahrzeugrads 12 ist. Die lenkbaren Räder 12 und 14 sind miteinander durch eine bekannte Lenkverbindung verbunden. Daher ist die Ausgangsgröße von dem Positionssensors 28 des lenkbaren Rades eine Funktion der Positionen beider lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14.
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Eine Steuervorrichtung 30 vergleicht die Ausgangsgröße von dem Lenkradpositionssensor 26 mit der Ausgangsgröße von dem Positionssensor 28 des lenkbaren Rades. Wenn die Position des lenkbaren Rades 12 während eines Lenkbetriebs bzw. einer Lenkoperation nicht der Position des Lenkrades 16 entspricht, bewirkt die Steuervorrichtung 30 den Betrieb eines bidirektionalen Elektromotors 34, um einen Differentialgetriebemechanismus 36 in der Kraft übertragenden Vorrichtung 22 anzutreiben. Der Betrieb des Motors 34 während einer Lenkoperation resultiert darin, dass der Differentialgetriebemechanismus 36 den Betrieb der Lenkgetriebeanordnung 20 bewirkt, um die Position der lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 so einzustellen, dass sie mit der Position des Lenkrads 16 übereinstimmt.
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Das Lenkrad 16 ist mit einer Welle 42 in der Kraft übertragenden Vorrichtung 22 durch eine Drehmomentsensoranordnung 44 verbunden. Die Drehmomentsensoranordnung 44 umfasst einen Torsionsstab 48, die mit einer Lenksäulenwelle 50 verbunden ist. Die Lenksäulenwelle 50 ist koaxial mit dem Torsionsstab 48 und der Welle 42 in der Kraft übertragenden Vorrichtung 22.
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Eine kreisförmige Eingangsscheibe 54 in der Drehmomentsensoranordnung 44 ist mit dem oberen Ende (wie in 1 gezeigt) des Torsionsstabs 48 und dem unteren Ende der Lenksäulenwelle 50 durch ein Gehäuse 56 verbunden. Eine kreisförmige Ausgangsscheibe 60 ist mit der Welle 42 in der Kraft übertragenden Vorrichtung 22 verbunden. Die Ausgangsscheibe 60 ist in einer koaxialen Beziehung zu der Eingangsscheibe 54 angeordnet und erstreckt sich parallel zu dieser.
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Die Eingangsscheibe 54 und die Ausgangsscheibe 60 besitzen Öffnungen, die mit einer Lichtquelle 64 und einem Lichtdetektor 66 zusammenarbeiten. Der Ausgang von dem Lichtdetektor 66 variiert als eine Funktion der Veränderungen in dem Ausmaß der Ausrichtung der Öffnungen in den Eingangs- und Ausgangsscheiben 54 und 60. Wenn erwünscht, kann die Drehmomentsensoranordnung 44 ein Sensorsystem besitzen, das sich von dem dargestellten optischen System unterscheidet.
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Wenn das Lenkrad 16 manuell gedreht wird, um eine Verschwenkbewegung der lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 auszulösen, wird Drehmoment durch die Lenksäulenwelle 50 auf den Torsionsstab 48 übertragen. Dieses Drehmoment resultiert in einer Drehmomentauslenkung des Torsionsstabs 48 und in einer Bewegung der Eingangsscheibe 54 relativ zu der Ausgangsscheibe 60. Die relative Bewegung zwischen der Eingangsscheibe 54 und der Ausgangsscheibe 60 resultiert in einer Veränderung des Signals, das von dem Lichtdetektor 66 zu einer Steuervorrichtung 70 infolge der Veränderung in der Abstandsbeziehung zwischen den Öffnungen in den Scheiben übertragen wird.
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Ansprechend auf die Änderungen in dem von dem Lichtdetektor 66 gesandten Signal bewirkt die Steuervorrichtung 70 die Erregung eines umkehrbaren Elektromotors 74, der mit der Welle 42 in der Kraft übertragenden Vorrichtung 22 verbunden ist. Der Betrieb des Elektromotors 74 bewirkt, dass die Welle 42 der Drehung durch das Lenkrad 16 widersteht. Der Widerstand gegenüber der Drehung des Lenkrads 16 durch den Motor 74 sieht ein simuliertes Straßengefühl während der manuellen Drehung des Lenkrads 16 und des Verschwenkens der lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 vor.
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Wenn das Lenkrad 16 in einer Richtung gedreht wird, beispielsweise im Uhrzeigersinn, wird der Motor 74 durch die Steuervorrichtung 70 betrieben, um der Drehung der Welle 42 in einer Richtung im Uhrzeigersinn zu widerstehen, und zwar durch ein Drehmoment, das geringer ist als und eine Funktion ist von dem Drehmoment, das an das Lenkrad angelegt und von der Drehmomentsensoranordnung 44 abgefühlt wird. Ähnlich wird der Motor 74, wenn das Lenkrad 16 in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, durch die Steuervorrichtung 70 erregt, um der Drehung der Welle 42 in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn zu widerstehen, und zwar mit einem Drehmoment, das geringer ist als und eine Funktion ist von dem Drehmoment, das an das Lenkrad angelegt und von der Drehmomentsensoranordnung 44 abgefühlt wird. Wenn die lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 durch die Lenkgetriebeanordnung 20 über eine bogenförmige Distanz hinweg verschwenkt worden sind, die der Drehung des Lenkrads 16 entspricht, werden die Öffnungen in der Eingangsscheibe 54 und der Ausgangsscheibe 60 wieder miteinander ausgerichtet sein und der Betrieb des Motors 74 wird durch die Steuervorrichtung 70 unterbrochen.
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Die Drehmomentsensoranordnung
44 besitzt die gleiche Bauart, wie sie in
US 5,369,583 A offenbart ist. Die Drehmomentsensoranordnung
44 kann jedoch, wenn gewünscht eine andere Konstruktion besitzen. Beispielsweise kann die Drehmomentsensoranordnung
44 Dehnungsmessstreifen zusammen mit dem Torsionsstab
48 verwenden, um das Ausmaß der Drehmomentauslenkung des Torsionsstabs zu detektieren. Natürlich können, wenn gewünscht, andere bekannte Drehmoment abfühlende Einrichtungen verwendet werden.
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Die Drehung der Welle 42 unter dem Einfluss des Lenkrads 16 wird auf einen ersten Eingang 80 zu dem Differentialgetriebemechanismus 36 übertragen. Der Differentialgetriebemechanismus 36 kann von der Planetenbauart oder der Kegelradgetriebe-Bauart sein. Die Drehung an dem Eingang 80 wird von einem Ausgang 82 von dem Differentialgetriebemechanismus 36 übertragen. Der Ausgang 82 von dem Differentialgetriebemechanismus 36 ist mit einer Welle 86 verbunden. Die Welle 86 ist mit der Lenkgetriebeanordnung 20 verbunden.
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Die Lenkgetriebenanordnung 20 ist von der bekannten Integralbauart und umfasst einen umkehrbaren Strömungsmittel- oder Hydraulikmotor 90, der mit einem Antriebsmechanismus 92 verbunden ist. Der Strömungsmittelmotor 90 umfasst einen im Allgemeinen zylindrischen Kolben 96, der ein Gehäuse 98 in eine obere Kammer 100 mit variablem Volumen und eine untere Kammer 102 mit variablem Volumen teilt. Der Kolben 96 besitzt Zahnstangenzähne 106, die in Zahneingriff mit Zähnen auf einem Sektorzahnrad 108 angeordnet sind.
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Das Sektorzahnrad 108 ist mit einer Abtriebswelle 112 verbunden. Die Abtriebswelle 112 kann durch einen Lenkstockhebel (nicht gezeigt) mit einer bekannten Lenkverbindung 114 verbunden sein. Die Lenkverbindung 114 bewirkt, dass die lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14, ansprechend auf die Drehung der Abtriebswelle 112, verschwenkt werden.
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Ein Richtungssteuerventil 120 ist auf einem oberen Ende (wie in 1 gezeigt) des Gehäuses 98 angebracht. Die Richtungssteuerventilanordnung 120 ist betätigbar, Strömungsmittel unter hohem Druck von einer Pumpe oder einer anderen Quelle von Strömungsmitteldruck zu entweder der oberen oder der unteren Kammer 100 und 102 mit variablem Volumen zu lenken. Gleichzeitig bewirkt die Richtungssteuerventilanordnung 120, dass die andere Kammer mit variablem Volumen in Strömungsmittelverbindung mit einem Abfluss oder Reservoir verbunden wird.
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Die Richtungssteuerventilanordnung 120 umfasst ein drehbares Innenventilglied oder Kern 124, welcher mit der Welle 86 verbunden ist. Ein drehbares Außenventilglied oder eine Hülse 126 ist mit einem Nachfolgeglied 128 mit einem Außengewindegang verbunden, das durch Kugeln 130 in Eingriff steht. Die Kugeln 130 sind in Eingriff angeordnet mit einem Innengewindegang 134, der in dem Kolben 96 gebildet ist. Das Innenventilglied 124 ist mit dem Außenventilglied 126 durch einen Torsionsstab 140 verbunden.
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Bei Drehung des Innenventilglieds 124 relativ zu dem Außenventilglied 126 durch die Welle 86 wird Hochdruckströmungsmittel von einer Druckströmungsmittelquelle (nicht gezeigt) zu einer der Kammern 100 und 102 mit variablem Volumen geleitet. Beispielsweise kann Hochdruckströmungsmittel zu der oberen Kammer 100 mit variablem Volumen geleitet werden. Gleichzeitig arbeiten die Innen- und Außenventilglieder 124 und 126 zusammen, um die untere Kammer 102 mit variablem Volumen mit dem Reservoir oder Abfluss zu verbinden. Daraus folgend wird der Kolben 96 nach unten bewegt (wie in 1 gezeigt).
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Während sich der Kolben
96 relativ zu dem Gehäuse
98 bewegt, bewirken die Zahnstangenzähne
106 an dem Kolben, dass sich das Sektorzahnrad
108 um seine Mittelachse dreht. Die Drehung des Sektorzahnrads
108 bewirkt, dass die Lenkverbindung
114 die lenkbaren Fahrzeugräder
12 und
14 in der gleichen Richtung und über den gleichen Bogenabstand verschwenkt. Die Konstruktion des umkehrbaren Strömungsmittelmotors
90 und das Richtungssteuerventil
120 ist im Allgemeinen ähnlich den Konstruktionen, die in
US 6,382,342 B1 und
US 6,202,694 B1 offenbart sind und werden hier nicht weiter beschrieben.
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Wenn eine Lenkoperation vorgenommen wird, wird das Lenkrad 16 manuell gedreht. Die Drehung des Lenkrads 16 legt eine Lenkdrehmomenteingangsgröße an die Lenksäulenwelle 50 und den Torsionsstab 48 an. Die resultierende Auslenkung des Torsionsstabs 48 bewegt die Öffnungen in der Eingangsscheibe 54 aus der Ausrichtung mit den Öffnungen in der Ausgangsscheibe 60. Dies resultiert in einer Veränderung in der Ausgangsgröße von dem Lichtdetektor 66 und des Betriebs der Steuervorrichtung 70, um den Elektromotor 74 zu erregen, um ein Lenkwiderstandsdrehmoment an die Welle 42 anzulegen. Das Lenkwiderstandsdrehmoment ist geringer als die Lenkdrehmomentausgangsgröße, sodass die Welle 42 durch die Lenkdrehmomenteingangsgröße gedreht wird.
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Das Lenkeingabedrehmoment wird von dem Lenkrad 16 durch die Torsionsstange 48 und die Welle 42 zu dem Differentialgetriebemechanismus 36 übertragen. Das Drehmoment wird von dem Differentialgetriebemechanismus 36 durch die Welle 86 zu dem Innenventilglied 124 in dem Richtungssteuerventil 120 übertragen. Das Drehmoment, das an das Innenventilglied 124 angelegt wird, bewirkt dass es sich relativ zu dem Außenventilglied 126 dreht.
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Wenn sich das Innenventilglied 124 dreht, wird der Torsionsstab 140 elastisch ausgelenkt und relativ hoher Strömungsmitteldruck wird zu einer der Kammern 100 oder 102 mit variablem Volumen geleitet. Die Strömungsmittelverbindung zwischen der anderen Kammer mit variablem Volumen und dem Abfluss oder Reservoir bzw. Behälter wird erhöht. Dies resultiert in dem Betrieb eines Strömungsmittelmotors 90, um das Sektorzahnrad 108 zu drehen. Die Drehung des Sektorzahnrads 108 betätigt die Lenkverbindung 114, um die lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 in der gleichen Richtung zu verschwenken, d. h. die Richtung, in der das Lenkrad 16 gedreht wird.
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Während die lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 verschwenkt werden, liefert der Positionssensor 28 eine Ausgangsgröße an die Steuervorrichtung 30, die eine Anzeige für die Position der lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 relativ zu einem Fahrzeugkörper bildet, in dem die Lenkvorrichtung 10 angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 30 vergleicht die Position, die durch den Positionssensor 28 des lenkbaren Fahrzeugrades angezeigt wird, mit der Position, die von dem Lenkradpositionssensor 26 angezeigt wird. Wenn die zwei Positionen übereinstimmen, erregt die Steuervorrichtung 30 den Motor 34 nicht. Wenn die Position der lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 jedoch nicht mit der Position des Lenkrads 16 übereinstimmt, wird der Motor 34 erregt, um eine Eingangsgröße an den Differentialgetriebemechanismus 36 zu liefern.
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Die Eingangsgröße von dem Motor 34 an den Differentialgetriebemechanismus 36 bewirkt, dass die Ausgangsgröße von dem Differentialgetriebemechanismus modifiziert wird. Dies bewirkt, dass die lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 ihre Positionen relativ zu dem Lenkrad 16 verändern, während das Lenkrad gedreht wird. Sobald die Ausgangsgröße von dem Positionssensor 28 des lenkbaren Fahrzeugrades mit der Ausgangsgröße des Lenkradpositionssensors 26 übereinstimmt, unterbricht die Steuervorrichtung 30 den Betrieb des Motors 34. Das Lenkmanöver ist abgeschlossen, wenn die Positionen der lenkbaren Fahrzeugräder 12 und 14 mit der Position des Lenkrads 16 übereinstimmt.
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Wenn der Motor 34 während einer Lenkoperation betrieben wird, um das Ausgangsdrehmoment, das von dem Differentialgetriebemechanismus 36 zu der Lenkgetriebeanordnung 20 übertragen wird, zu modifizieren, wird ebenfalls ein Drehmoment von dem Differentialgetriebemechanismus auf die Welle 42 übertragen. Der Motor 74 legt ausreichend Kraft an die Welle 42 an, um das Drehmoment, das von dem Differentialgetriebemechanismus 36 auf die Welle 42 übertragen wird, resultierend aus dem Betrieb des Motors 34 zu versetzen. Dies resultiert darin, dass das Lenkrad 16 von der Kraft, die von dem Motor 34 übertragen wird, isoliert wird, wenn der Motor während einer Lenkoperation erregt wird.
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Wenn die Steuervorrichtung 30 beispielsweise bestimmt, dass die Position des lenkbaren Fahrzeugsrads 12 bei Drehung des Lenkrads im Uhrzeigersinn hinter der Position des Lenkrads 16 nachläuft, wird der Motor 34 erregt, um eine Eingangsgröße 150 in einer ersten Richtung an den Differentialgetriebemechanismus 36 zu treiben. Dies kann im Anlegen eines Drehmoments im Uhrzeigersinn an die Welle 42 resultieren. Dies Drehmoment im Uhrzeigersinn würde additiv zu dem von dem Lenkrad 16 auf die Welle 42 übertragenen Drehmoment im Uhrzeigersinn sein und würde in einem Anstieg der Widerstandskraft resultieren, die von dem Motor 74 auf die Welle 42 übertragen wird. Es würde jedoch sehr wenig, wenn überhaupt, Drehmoment von dem Differentialgetriebemechanismus 36 auf das Lenkrad 16 übertragen werden.
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In ähnlicher Weise wird der Motor 34, wenn die Steuervorrichtung bestimmt, dass die Position des lenkbaren Fahrzeugrads 12 der Position des Lenkrads 16 während einer Drehung des Lenkrads im Uhrzeigersinn vorausläuft, erregt, um die Eingangsgröße 150 in einer zweiten Richtung anzutreiben, welche der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Dies kann in einem Anlegen eines Drehmoments entgegen dem Uhrzeigersinn an die Welle 42 resultieren. Dieses Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn würde subtraktiv auf das Drehmoment im Uhrzeigersinn wirken, das von dem Lenkrad 16 auf die Weile 42 übertragen wird und würde in einer Abnahme der Widerstandskraft resultieren, die von dem Motor 74 auf die Welle 42 übertragen wird. Daher würde sehr wenig, wenn überhaupt, Drehmoment von dem Differentialgetriebemechanismus 36 auf das Lenkrad 16 übertragen werden.
