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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkungsanordnung für
ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Aus
der
PCT/EP2008/001261 vom 19.02.2008
ist eine Lenkungsanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt,
die einen eingangsseitigen Lenkstrang sowie einen ausgangsseitigen
Lenkstrang aufweist, die über eine Kopplungseinrichtung
miteinander antriebsgekoppelt sind. Der eingangsseitige Lenkstrang
weist eine Lenkspindel und ein mit der Lenkspindel drehfest verbundenes
Lenkhandrad auf und ist seitlich beabstandet zu einer Längsmittelebene
des Fahrzeugs an der einen Fahrzeugseite angeordnet. Der ausgangsseitige
Lenkstrang weist eine Lenkwelle und eine über ein Lenkgetriebe
mit der Lenkwelle antriebsgekoppelte Lenkstange zur Lenkbetätigung
von lenkbaren Fahrzeugrädern auf und ist seitlich beabstandet
zur Längsmittelebene des Fahrzeugs an der anderen Fahrzeugseite
angeordnet. Die Kopplungseinrichtung ermöglicht nun eine
Antriebskopplung der beiden an entgegengesetzten Fahrzeugseiten
angeordneten Lenkstränge und überbrückt
den Abstand zwischen den beiden Lenksträngen.
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Eine
derartige Z-förmige Lenkungsanordnung kann insbesondere
dann von Vorteil sein, wenn bei einem Fahrzeug mit Frontantrieb
oder mit Allradantrieb eine Linkslenker-Variante und eine Rechtslenker-Variante
realisiert werden sollen, ohne dabei die Anordnung des Lenkgetriebes
sowie eines Vorderachsge triebes zu verändern. Während
bspw. bei der Linkslenker-Variante ein einziger, durchgehender Lenkstrang
vorhanden ist, so dass letztlich das Lenkhandrad und das Lenkgetriebe
an der selben Fahrzeugseite angeordnet sind, wird für die
Rechtslenker-Variante der Lenkstrang in die beiden genannten Teillenkstränge
geteilt, die dann in Fahrzeugquerrichtung über die Kopplungseinrichtung
miteinander gekoppelt werden. Hierdurch können Lenkhandrad
und Lenkgetriebe an unterschiedlichen Fahrzeugseiten angeordnet
werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Antriebskopplung über
eine derartige Kopplungseinrichtung reibungsbehaftet ist, wodurch
sich die Handhabung des bzw. der Lenkkomfort der Lenkungsanordnung
gegenüber einer herkömmlichen Lenkungsanordnung
mit einem einzigen, durchgehenden Lenkstrang verändert,
was von einigen Fahrern als nachteilig empfunden werden kann. Hier setzt
die vorliegende Erfindung an.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Lenkungsanordnung der eingangs genannten Art eine
verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere
dadurch auszeichnet, dass sie eine verbesserte Handhabung bzw. einen
verbesserten Komfort besitzt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dem eingangsseitigen
Lenkstrang eine Drehmomentunterstützung zuzuordnen, mit
deren Hilfe die Reibungsverluste bzw. Reibungswiderstände
der Kopplungseinrichtung kompensiert werden können. Durch
eine gezielte Servounterstützung im Bereich des eingangsseitigen
Lenkstrangs lassen sich die Verluste oder Widerstände der
Kopplungseinrichtung vollständig eliminieren, so dass für
die vorliegende, zwei gekoppelte Lenkstränge aufweisende
Lenkungsanordnung grundsätzlich der gleiche Lenkkomfort
bzw. die gleiche Handhabung realisierbar ist wie für eine
herkömmliche Lenkungsanordnung mit einem einzigen durchgehenden
Lenkstrang. Erreicht wird die Servounterstützung mit Hilfe
eines Servomotors, der auf geeignete Weise z. B. mit der Lenkspindel
des eingangsseitigen Lenkstrangs antriebsverbunden ist. Gleichzeitig
ist ein Drehmomentsensor vorzusehen, der das über das Lenkhandrad
in den eingangsseitigen Lenkstrang vom Fahrzeugführer eingebrachte
Lenkmoment misst. Dabei ist klar, dass zum Betätigen bzw.
zum Betreiben des Servomotors eine entsprechende Steuerung ebenfalls
vorhanden sein muss, die dann den Servomotor in Abhängigkeit
des gemessenen Lenkmoments betätigt.
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Die
jeweils erforderliche Lenkkraftunterstützung hängt
vom Fahrzeug und von der jeweiligen Kopplungseinrichtung ab und
kann bspw. durch Versuche ermittelt werden. In einer Steuereinrichtung können
dann Kennfelder abgelegt sein, die dem gemessenen Lenkmoment Steuersignale
zum Betätigen des Servomotors zuordnen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform kann auch dem ausgangsseitigen
Lenkstrang ein Drehmomentsensor zur Drehmomentmessung zugeordnet
sein. Hierdurch kann in einer Steuereinrichtung das vom Fahrzeugführer über
das Lenkhandrad in die Lenkungsanordnung eingeleitete Lenkmoment mit
dem an der Lenkwelle des ausgangsseitigen Lenkstrangs ankommenden
Drehmoment verglichen werden. Dieses an der Lenkwelle des ausgangsseitigen
Lenkstrangs messbare Drehmoment beinhaltet zum einen den Widerstand
der Kopplungseinrichtung und zum anderen die Unterstützung
des Servomotors. Somit kann in Verbindung mit diesem weiteren Drehmomentsensor
ein Regelkreis geschaf fen werden, der bspw. zur vollständigen
Eliminierung der auftretenden Reibungsverluste ausgelegt sein kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte,
schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Lenkungsanordnung.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Lenkungsanordnung 1 eines nur teilweise dargestellten Kraftfahrzeugs 2 einen
eingangsseitigen Lenkstrang 3, einen ausgangsseitigen Lenkstrang 4 sowie
eine Kopplungseinrichtung 5. Der eingangsseitige Lenkstrang 3 weist
eine Lenkspindel 6 auf, die drehfest mit einem Lenkhandrad 7 verbunden
ist, über das ein Fahrzeugführer Lenkmomente in
die Lenkungsanordnung 1 einleiten kann. Der eingangsseitige
Lenkstrang 3 ist von einer Längsmittelebene 8 des
Fahrzeugs 2 seitlich beabstandet und an einer ersten Fahrzeugseite
angeordnet. Im Beispiel ist der eingangsseitige Lenkstrang 3 auf
der rechten Fahrzeugseite angeordnet, so dass es sich hier um eine Rechtslenker-Variante
handelt.
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Der
eingangsseitige Lenkstrang 3 weist außerdem einen
Servomotor 9 auf, der auf geeignete Weise zur Lenkkraftunterstützung
mit dem eingangsseitigen Lenkstrang 3 gekoppelt ist. Beispielsweise ist
der Servomotor 9 hierzu über ein Zahnradgetriebe 10 mit
der Lenkspindel 6 antriebsverbunden. Ferner ist der eingangsseitige
Lenkstrang 3 mit einem Lenkmoment- oder Drehmomentsensor 11 ausgestattet, mit
dessen Hilfe die über das Lenkhandrad 7 in den eingangsseitigen
Lenkstrang 3 bzw. die Lenkspindel 6 eingeleiteten
Lenkmomente messbar sind. Dieser Drehmomentsensor 11 ist über
eine entsprechende Signalleitung 12 mit einer Steuereinrichtung 13 gekoppelt,
die zur Betätigung des Servomotors 9 dient und
mit diesem über entsprechende Leitungen 14 gekoppelt
ist. Vorzugsweise handelt es sich beim Servomotor 9 um
einen Elektromotor. Grundsätzlich sind jedoch auch andere
Motoren denkbar. Aufgrund der nachfolgend noch näher erläuterten
Funktion des Servomotors 9 reicht jedoch ein vergleichsweise
kleiner Elektromotor aus, um die gewünschte Lenkkraftunterstützung
in die Lenkungsanordnung 1 einzubringen.
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Im
gezeigten Beispiel ist der eingangsseitige Lenkstrang 3 außerdem
mit einem Lenkwinkel- oder Drehwinkelsensor 15 ausgestattet,
mit dessen Hilfe ein Lenkwinkel des Lenkhandrads 7 erfasst
werden kann. Der Lenkwinkel ist dabei die Auslenkung des Lenkhandrads 7 nach
links oder nach rechts aus einer neutralen Mittellage oder Ausgangslage,
die bei Geradeausfahrt vorliegt. Der Lenkwinkelsensor 15 ist über
eine geeignete Signalleitung 16 ebenfalls mit der Steuereinrichtung 13 gekoppelt.
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Der
ausgangsseitige Lenkstrang 4 weist eine Lenkwelle 17 auf,
die bspw. über eine kardanische Gelenkanordnung 18 mit
einem Lenkgetriebe 19 antriebsverbunden sein kann, das
seinerseits mit einer Lenkstange 20 antriebsgekoppelt ist.
Die Lenkstange 20 dient zur Lenkbetätigung lenkbarer
Fahrzeugräder 21, bei denen es sich zweckmäßig
um Vorderräder handelt. Hierzu ist die Lenkstange 20 in üblicher Weise über
eine Hebelanordnung 22 mit den nicht näher bezeichneten
Radaufhängungen des jeweiligen Fahrzeugrads 21 gekoppelt.
Der ausgangsseitige Lenkstrang 4 ist ebenfalls seitlich
zur Längsmittelebene 8 beabstandet angeordnet,
befindet sich jedoch auf einer zweiten Fahrzeugseite, also auf der anderen
Fahrzeugseite. Im Beispiel ist der ausgangsseitige Lenkstrang 4 auf
der linken Fahrzeugseite angeordnet. Der ausgangsseitige Lenkstrang 4 ist
im gezeigten bevorzugten Beispiel optional mit einem weiteren Drehmomentsensor 23 ausgestattet, der über
eine entsprechende Signalleitung 24 mit der Steuereinrichtung 13 gekoppelt
ist. Der weitere Drehmomentsensor 23 dient zur Drehmomentmessung und
wirkt hierzu insbesondere mit der Lenkstange 17 zusammen.
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Die
Kopplungseinrichtung 5 dient zur Antriebskopplung der beiden,
an verschiedenen Fahrzeugseiten voneinander beabstandet angeordneten Lenkstränge 3, 4.
Im gezeigten Beispiel ist die Kopplungseinrichtung 5 als
Getriebe ausgestaltet, das einerseits über ein erstes Kegelradpaar 24 mit
dem eingangsseitigen Lenkstrang 3 und anderenends über
ein zweites Kegelradpaar 25 mit dem ausgangsseitigen Lenkstrang 4 antriebsverbunden
ist. Hierzu weist die Kopplungseinrichtung 5 bspw. eine
Welle 26 auf, die an ihren Enden jeweils ein Kegelrad drehfest
trägt. Im Beispiel trägt auch die Längsspindel 6 ein
solches Kegelrad drehfest. Ebenso trägt die Lenkwelle 17 ein
derartiges Kegelrad drehfest. Grundsätzlich sind auch andere
Ausgestaltungen für die Kopplungseinrichtung 5 denkbar.
Beispielsweise sind Einfachkreuzgelenke oder Doppelkreuzgelenke denkbar.
Ebenfalls sind andere Winkelgetriebe, Gelenke oder Kupplungen möglich.
Ferner ist auch die Verwendung einer querliegenden Zahnstange denkbar,
die antriebsseitig und ab triebsseitig mit Zahnrädern antriebsgekoppelt
ist, die am jeweiligen Lenkstrang 3, 4 angeordnet
sind.
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Durch
die zwei seitlich voneinander beabstandeten Lenkstränge 3, 4 und
die querliegende Kopplungseinrichtung 5 ist die Lenkungsanordnung 1 Z-förmig
gestaltet. Eine derartige Lenkungsanordnung 1 ist dann
von Vorteil, wenn ein für eine Linkslenker-Variante ausgestattetes
Fahrwerk des Fahrzeugs 2 auch bei einer Rechtslenker-Variante
verwendet werden soll. Bei der Linkslenker-Variante befindet sich
das Lenkgetriebe 19 auf der linken Fahrzeugseite, nämlich
auf der Fahrerseite. Bei einem Fahrzeug 2 mit Allradantrieb
befindet sich ein Vorderachsgetriebe 27 dann an der rechten
Fahrzeugseite. Im Beispiel besitzt das Fahrzeug 2 einen
Frontmotor 28, der mit einem automatisch oder manuell schaltbaren
Getriebe 29 antriebsgekoppelt ist. Eine erste Abtriebswelle 30 des
Getriebes 29 führt zu den nicht gezeigten angetriebenen
Heckrädern, während eine zweite Abtriebswelle 31 zum
Vorderachsgetriebe 27 führt. Das Vorderachsgetriebe 27 treibt über
Antriebswellen 32 die angetriebenen bzw. antreibbaren Vorderräder 21 an.
Durch die vorgeschlagene Z-förmige Lenkungsanordnung 1 kann
das hier gezeigte Fahrwerk mit links angeordnetem Lenkgetriebe 19 und
rechts angeordnetem Vorderachsgetriebe 27 auch bei einer
Rechtlenker-Variante wie dargestellt verwendet werden.
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Die
Kopplungseinrichtung 5 besitzt zwangsläufig Reibung,
was zum einen den Lenkwiderstand beim Lenkbettigen erhöht
und was zum anderen die Rückwirkung von an den lenkbaren
Rädern 21 angreifenden Kräften über
die Lenkungsanordnung 1 auf das Lenkhandrad 7 dämpft.
Beide Erscheinungen können von Fahrzeugführern
nachteilig empfunden werden. Zur Kompensation dieser Reibungsverluste oder
Kopplungsverluste der Kopplungseinrichtung 5 ist der Servomotor 9 vorgesehen.
Die Steuereinrichtung 13 betätigt in Abhängigkeit
des mit Hilfe des Lenk momentsensors 11 gemessenen Lenkmoments den
Servomotor 9 derart, dass sich eine die Verluste der Kopplungseinrichtung 5 kompensierende
Lenkkraftunterstützung ergibt. Im Idealfall ist die Steuereinrichtung 13 so
ausgelegt, dass sich für den Fahrzeugführer bei
der Betätigung des Lenkhandrads 7 kein fühlbarer
Unterschied zu einer herkömmlichen Lenkungsanordnung mit
einem einzigen, durchgehenden Lenkstrang ergibt.
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Der
Servomotor 9 ist hierzu vor der Kopplungseinrichtung 5 in
die Lenkungsanordnung 1 eingebunden, also in den eingangsseitigen
Lenkstrang 3. Zweckmäßig wirkt der Servomotor 9 zwischen
dem Lenkhandrad 7 und der Kopplungseinrichtung 5 mit der
Lenkspindel 6 zusammen. Im gezeigten Beispiel ist der Lenkmomentsensor 11 zwischen
dem Lenkhandrad 7 und dem Servomotor 9 bzw. zwischen dem
Lenkhandrad 7 und dem Lenkwinkelsensor 15 an der
Lenkspindel 6 angeordnet. Im Beispiel ist der Lenkwinkelsensor 15 zwischen
dem Lenkmomentsensor 11 und dem Servomotor 9 an
der Lenkspindel 6 angeordnet. Ferner ist hier exemplarisch
der Drehmomentsensor 23 zwischen der Kopplungseinrichtung 5 und
der Gelenkanordnung 18 an der Lenkwelle 17 angeordnet.
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Die
Steuereinrichtung 13 kann Kennlinien bzw. Kennfelder aufweisen,
die gemessenen Lenkmomenten Betätigungssignale bzw. Unterstützungsmomente
zuordnen, die bei ihrer Umsetzung am Servomotor 9 die erwünschte
Kompensation der Kopplungsverluste der Kopplungseinrichtung 5 realisieren. Bei
der hier gezeigten Ausführungsform kann eine Regelung realisiert
werden. Hierzu ist der Drehmomentsensor 23 in der Lenkungsanordnung 1 nach der
Kopplungseinrichtung 5 angeordnet, also im oder am ausgangsseitigen
Lenkstrang 4. Zweckmäßig ist der Drehmomentsensor 23 hierzu
zwischen der Kopplungseinrichtung 5 und dem Lenkgetriebe 19 mit
der Lenkwelle 17 gekoppelt. Der Drehmomentsensor 23 misst
das am ausgangsseitigen Lenkstrang 4 an kommende Drehmoment,
also die Summe aus dem vom Fahrzeugführer in das Lenkhandrad 7 eingeleiteten
Lenkmoment zuzüglich der Lenkkraftunterstützung
durch den Servomotor 9 und abzüglich der Kopplungsverluste
in der Kopplungseinrichtung 5. Hierdurch kann die Steuereinrichtung 13 durch
einen Soll-Ist-Vergleich der Lenkmomente einen geschlossenen Regelkreis
realisieren.
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Mit
Hilfe des Drehwinkelsensors oder Lenkwinkelsensors 15 kann
die Steuereinrichtung außerdem drehwinkelabhängige
und/oder phasenwinkelabhängige Drehmomentschwankungen,
die in der Lenkungsanordnung 1 auftreten können,
erkennen bzw. kompensieren, zweckmäßig bevor sie
sich spürbar am Lenkhandrad bzw. am Fahrverhalten des Fahrzeugs
auswirken.
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Bei
der hier gezeigten, besonders vorteilhaften Ausführungsform
kann die Steuereinrichtung 13 außerdem eine Datenverbindung 33 zu
einem Bussystem 34, insbesondere ein CAN-Bus des Fahrzeugs 2 aufweisen.
Hierdurch ist es insbesondere möglich, die mit Hilfe des
Servomotors 9 realisierte Servounterstützung in
Abhängigkeit von Betriebsparametern des Fahrzeugs 2 durchzuführen.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 13 die Servounterstützung
in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der
Fahrzeugbeschleunigung und/oder des Motormoments und dergleichen
durchführen. Da die maximal auftretenden Reibungsverluste
in der Kopplungseinrichtung 5 vergleichsweise gering sind, kann
die erforderliche Servounterstützung ebenfalls klein ausfallen,
so dass auch der Servomotor 9 vergleichsweise klein und
preiswert realisierbar ist. Besonders sinnvoll ist dabei ein elektrisch
angetriebener Servomotor 9, der ggf. auch eine Getriebeübersetzung
aufweisen kann. Anstelle des parallel zur Lenkspindel 6 angeordneten
Servomotors 9 ist auch ein koaxial zur Lenkspindel 6 angeordneter
Servomotor 9 denkbar. Bevorzugt sind elektrische Servomotoren 9,
die bürstenlos arbeiten, bspw. um Geräusche und
Drehmomentschwankungen zu reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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