DE102008046007B4

DE102008046007B4 - Vorrichtung zur Lenkkraftunterstützung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102008046007B4
Application number: DE102008046007.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Zimmer
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2028-09-06
Also published as: DE102008046007A1

Abstract

Vorrichtung zur Lenkkraftunterstützung eines Kraftfahrzeuges mit zumindest zwei Achsen, von denen zumindest eine Achse über eine Servolenkung (24) gelenkt ist und die Räder (2, 18) des Kraftfahrzeuges über eine Betriebsbremse (19, 20, 21) bremsbar sind, wobei zur Erzeugung einer Lenkkraftunterstützung, bei Ausfall der Servolenkung (24) die Radaufhängung (1) der lenkbaren Räder (2) durch entsprechende Auslegung von Radführungselementen (4, 5, 6, 7, 8) über einen Spreizungswinkel (γ) der Lenkachse (14) und/oder einen Radsturzwinkel (a), einen positiven Lenkrollradius (r) aufweist, wobei der Spreizungswinkel (γ) derart ausgeführt ist, dass die Lenkachse (14) in Fahrzeughochachsenrichtung von unten nach oben gesehen nach innen zur Fahrzeugmitte hin geneigt ist, wobei das Kraftfahrzeug mit einem elektronischen Bremssystem und/oder einem Fahrstabilitätsprogramm ausgestattet ist und einem elektronischen Steuergerät (22), in welchem neben den bereits vorhandenen, fahrdynamischen Parametern auch das eingebrachte Lenkmoment oder der Lenkwinkel der Servolenkung (24) eingelesen und in einer Routine zur Lenkkraftunterstützung bei ausgefallener Servolenkung (24) die Radbremsen (19) entsprechend angesteuert werden, wobei das jeweils kurveninnere Rad (2) abhängig vom Lenkwinkel und/oder dem aufgebrachten Lenkmoment gebremst wird, und wobei über das elektronische Steuergerät (22) ferner bei nicht funktionsfähiger Servolenkung (24) das zumindest eine kurveninnere Rad (18) wenigstens einer nicht lenkbaren Achse wenigstens abhängig vom Lenkwinkel der gelenkten Räder (2) zur Verstärkung des Giermomentes des Kraftfahrzeuges gebremst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkachse (14) ferner zur Bildung einer eine Lenkungsrückstellung bewirkenden Nachlaufstrecke (s) in Fahrzeughochachsenrichtung von oben nach unten gesehen in Fahrzeuglängsrichtung, nach vorne geneigt und gegenüber der Radmitte in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne versetzt ist, wobei die Nachlaufstrecke (s) derart ausgelegt ist, dass eine definierte Lenkungsrückstellung auch bei nicht funktionsfähiger Servolenkung (24) gewährleistet ist, und dass die Bremskraft an dem zu bremsenden, kurveninneren Rad (2) abhängig vom anliegenden Lenkmoment oder der Lenkstellung derart geschwindigkeitsabhängig, abhängig vom Lenkwinkel und lenkgeschwindigkeitsabhängig, geregelt oder gesteuert ist, dass die Betätigungskräfte am Lenkhandrad (27) ein definiertes Maß nicht übersteigen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lenkkraftunterstützung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung beschreibt die DE 10 2006 046 497 A1 , bei der bei einem Ausfall der Servolenkung eine Lenkkraftunterstützung dadurch hergestellt werden soll, dass die jeweils kurveninneren Räder der gelenkten Achse des Kraftfahrzeuges definiert angebremst werden. Die Erzeugung eines entsprechenden Lenkmomentes durch das Anbremsen setzt voraus, dass die Radaufhängung einen positiven Lenkrollradius aufweist, mittels dem an der Radaufstandsfläche zur Fahrbahn zwischen dem Radaufstandspunkt und dem Durchstoßpunkt der Lenkachse ein Hebel gebildet ist, der das Rad in die Kurve hinein zu drehen sucht. Der Bremsvorgang kann manuell oder automatisch über einen Lenkmomentsensor und eine elektronisch gesteuerte Bremsbetätigung bewirkt werden.
Aus der DE 296 02 209 U1 ist eine lenkbare Achse bekannt, bei der die Neigung derart veränderbar ist, dass wahlweise eine Vorlauf- oder Nachlaufeigenschaft der lenkbaren Achse erreichbar ist. Die JP 2003 - 205 834 A offenbart eine Lenkhilfsvorrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der beispielhaften Vorrichtung, diese mit einfachen Mitteln weiter zu verbessern und eine noch weitergehende, elektronische Steuerung zur Lenkkraftunterstützung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Spreizungswinkel derart ausgeführt ist, dass die Lenkachse in Fahrzeughochachsenrichtung von unten nach oben gesehen nach innen zur Fahrzeugmitte hin geneigt ist, um einen im Sinne dieser Definition positiven Spreizungswinkel auszubilden. Durch diese Auslegung wird erreicht, dass am Rad wirkende Bremskräfte noch wirkungsvoller ein Eindrehen des kurveninneren Rades bewirken, weil mit zunehmendem Lenkeinschlag das Rückstellmoment, hin zur Geradeausstellung, bevorzugt stetig zunimmt. In der Geradeausstellung ist das Rückstellmoment der Achse M_Rechts + M_Links = 0. Dies ermöglicht eine Auslegung der „Lenkkraftunterstützung durch Bremsen“ derart, dass eine große einseitige Bremskraft einen großen Lenkeinschlag zur Folge hat. Die erfindungsgemäße Lösung kann mit wenigen Bauteilen auf funktionssichere Weise an Fahrzeugen, insbesondere an Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, wobei vor allem auch leistungsverbrauchende Bauteile, wie z. B. radgetriebene Hydraulikpumpen (Notlenkpumpen) in Verbindung mit hydraulischen Notfallsystemen eingespart werden können. Weiter wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die . Lenkachse zur Bildung einer eine Lenkungsrückstellung bewirkenden Nachlaufstrecke in Fahrzeughochachsenrichtung von oben nach unten gesehen, in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Fahrtrichtung nach vorne geneigt und gegenüber der Radmitte in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Fahrtrichtung nach vorne versetzt ist, wobei die Nachlaufstrecke derart vergrößert ausgelegt ist, dass eine definierte, zuverlässige Lenkungsrückstellung auch bei nicht funktionsfähiger Servolenkung gewährleistet ist. Damit gelingt eine Auslegung der fahrdynamischen Eigenschaften der Radaufhängung, die sowohl im regulären Fahrbetrieb als auch bei einem Ausfall der Servolenkung einen sicheren Fahrbetrieb mit ausreichender Lenkungsrückstellung und vertretbaren Lenkkräften ermöglicht.
Das Kraftfahrzeug ist erfindungsgemäß mit einem elektronischen Bremssystem (EBS) und/oder einem Fahrstabilitätsprogramm (z. B. ESP) ausgestattet, so dass in vorteilhafter und kostengünstiger Weise in dessen elektronischem Steuergerät neben den bereits vorhandenen, fahrdynamischen Parametern auch das eingebrachte Lenkmoment oder die Stellung der Lenkung (Lenkwinkel) eingelesen und in einer Routine zur Lenkkraftunterstützung bei ausgefallener Servolenkung die Radbremsen entsprechend angesteuert werden.
Dabei wird erfindungsgemäß die Bremskraft an dem jeweils zu bremsenden, kurveninneren Rad abhängig vom anliegenden Lenkmoment derart geregelt oder abhängig von der vorliegenden Stellung der mechanischen Lenkung (Lenkwinkel) derart gesteuert, dass die Betätigungskraft ein definiertes Maß nicht übersteigt. Diese Regelung bzw. Steuerung ist erfindungsgemäß geschwindigkeitsabhängig variabel und stellt sicher, dass bei allen Fahrsituationen kein unerwünschtes Auslenken auftritt.
Weiter erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur weiteren Unterstützung der Lenkkraft und zum Erzeugen eines Gierwinkels in Richtung der vom Fahrer gewünschten Fahrtrichtungsänderung über das elektronische Steuergerät in der Ausfallroutine die kurveninneren Räder nicht lenkbarer Achsen abhängig vom Lenkwinkel (Stellung der Lenkung) der gelenkten Räder zur Verstärkung des Giermomentes um die Hochmittelachse des Kraftfahrzeuges mit abgebremst werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 in einer Ansicht von vorne eine Radaufhängung der gelenkten Vorderachse eines Kraftfahrzeuges, mit einem oberen und einem unteren Querlenker und mit einer von unten nach oben nach innen in einem definierten Spreizungswinkel geneigten Lenkachse mit einem positiven Lenkrollradius r;
2 die Radaufhängung nach 1 in einer Seitenansicht mit einer vergrößerten Nachlaufstrecke s; und
3 eine grob schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einer vorderen, lenkbaren Achse gemäß den 1 und 2, einer hinteren Achse, einer Servolenkung und einem hydraulischen Betriebssystem mit einem elektronischen Fahrstabilitätsprogramm.

Die 1 zeigt von vorne eine in Fahrtrichtung rechtsseitige Radaufhängung 1 eines Kraftfahrzeuges mit gelenktem Rad 2, das auf einem Radträger 4 in bekannter Weise um eine Raddrehachse 3 drehbar gelagert ist.
Der Radträger 4 ist über Kugelgelenke 5 an einem oberen Querlenker 6 und an einem unteren Querlenker 7 schwenkbar angelenkt. Die Querlenker 6, 7 wiederum sind über Schwenkachsen definierende Schwenklager 8 mit dem nur angedeuteten Aufbau 9 des Nutz- bzw. Kraftfahrzeuges zur Bildung einer Radführung verbunden.
Ferner ist ein Federbein 10 vorgesehen, das einerseits am Aufbau 9 und andererseits an dem unteren Querlenker 7 angelenkt ist.
Die Radträger 4 (vergleiche 3) beider vorderer Radaufhängungen 1 (die linksseitige Radaufhängung 1 ist spiegelbildlich gleich wie vorbeschrieben ausgeführt) weisen Lenkarme 11 auf, die über Spurstangen 12 mit einer Lenkeinrichtung 13 des Kraftfahrzeuges zusammenwirken. Die vorliegende Beschreibung in Verbindung mit einer Einzelradaufhängung ist lediglich beispielhaft gewählt. Selbstverständlich gilt das hier Beschriebene auch analog für Starrachsen, wie diese insbesondere im Nutzfahrzeug zum Einsatz kommen.
Der Radträger 4 (vergleiche 1 und 2) ist über die Kugelgelenke 5 um eine Lenkachse 14 zum Lenken des Rades 2 schwenkbar, deren Spreizungswinkel γ gegenüber einer Senkrechten 17 in Fahrzeughochachsenrichtung, wie aus 1 ersichtlich ist, von unten nach oben gesehen in Fahrzeugquerrichtung bzw. zur Fahrzeugmitte hin nach innen verläuft.
Daraus resultiert ein positiver Lenkrollradius r, der mit einem definierten Hebelarm r (Strecke zwischen den eingezeichneten Pfeilen) das Rad 2 bei Längskräften und insbesondere bei Bremskräften um die Lenkachse 14 einzulenken versucht. Bei gleich großen links- und rechtsseitigen Längskräften an den Rädern 2 heben sich diese um die Lenkachsen 14 wirkenden Lenkmomente gegenseitig über die Spurstange 12 (M_rechts + M_links = 0) auf.
Durch die geometrische Auslegung der Querlenker 6, 7 mit den Kugelgelenken 5 ist die Lenkachse 14 (vergleiche 2) ferner von oben nach unten nach vorne bzw. in Fahrtrichtung F unter einem definierten Nachlaufwinkel geneigt, derart, dass der besagte Durchstoßpunkt der verlängerten Lenkachse 14 vor der senkrechten Radmittelebene 17 liegt und somit eine Nachlaufstrecke s definiert.
Der Nachlaufwinkel bzw. die Nachlaufstrecke s bewirkt eine Rückstellung der eingelenkten Räder 2 der Radaufhängungen 1, wobei die Nachlaufstrecke gegenüber herkömmlicher Auslegung so vergrößert ist, dass eine Lenkungsrückstellung auch bei durch einen Ausfall der üblichen Lenkkraftunterstützung (Servolenkung) 13 bedingten, höheren Betätigungskräfte sichergestellt ist.
Die durch die vorderen Radaufhängungen 1 gebildete Vorderachse und die über nicht dargestellte Radaufhängungen geführten hinteren Räder 18 einer Hinterachse des Kraftfahrzeuges sind in bekannter Weise mittels an den Rädern 2, 18 angeordneter Scheibenbremsen 19 bremsbar, die pneumatisch über ein Bremspedal 20 und ein Fußbremsventil 21, sowie über ein Fahrstabilitätsprogramm mit einem elektronischen Steuergerät 22 ansteuerbar sind.
Die Scheibenbremsen 19 sind über Pneumatikleitungen 23 und nicht dargestellte Magnetventile mit dem Steuergerät 22 bzw. mit dessen elektropneumatischen Betätigungselementen (nicht dargestellt) verbunden und können abhängig von fahrdynamischen Parametern des Kraftfahrzeuges gemeinsam oder getrennt mit über das Bremspedal 20 eingeleitetem oder automatisch eingespeistem Bremsdruck beaufschlagt werden.
Die Lenkeinrichtung 13 ist eine Zahnstangen-Servolenkung 24 mit hydraulischer Lenkkraftverstärkung, die über eine Antriebswelle 25 und eine Lenksäule 26 mit einem Lenkhandrad 27 trieblich verbunden ist.
In die Lenksäule 26 ist ein Lenkwinkel- oder Lenkmomentensensor 28 integriert, der in beiden Drehrichtungen der Lenksäule 26 Signale abgibt, die analog der von der Bedienungsperson des Kraftfahrzeuges eingebrachten Stellung der Lenkung und der aufgeprägten Drehrichtung sind.
Des Weiteren umfasst die hier beschriebene Servolenkung 24 bevorzugt einen Sensor 29, der die Funktionsfähigkeit oder die Betriebsbereitschaft der üblichen Lenkkraftunterstützung (Servolenkung) überwacht. Der Sensor 29 kann beispielsweise ein Durchflusssensor sein, der in den Ölkreislauf der hydraulischen Servolenkung eingebunden ist.
Die Signale des Lenkmoment- oder Lenkwinkelsensors 28 und des Durchflusssensors 29 werden über elektrische Leitungen 30, 31 dem elektronischem Steuergerät 22 zugeführt und in einer in das Steuergerät 22 als Software integrierten Ausfallroutine verarbeitet.
Dem Steuergerät 22 werden in üblicher Weise die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, Raddrehzahlsignale und deren Ableitungen, die Signale eines Giermomentsensors zur Verarbeitung ggf. einer Beschleunigung über die Hochachse des Kraftfahrzeuges, Lastanforderungen etc. in bekannter Weise zugeführt und zur Erzielung einer Fahrstabilitätsregelung mit damit verbundener Ansteuerung der Antriebseinrichtungen und der Scheibenbremsen 19 regelungstechnisch verarbeitet.
Wird über den Durchflusssensor 29 erkannt, dass ein Ausfall der Servolenkung 24 vorliegt (z. B. bei einem defekten Antrieb der Hydraulikpumpe), so wird z. B. bei einer zu durchfahrenden Linkskurve die Scheibenbremse 19 des linken Vorderrades 2 mit Bremsdruck beaufschlagt, wodurch die an der Radaufstandsfläche wirkenden Längskräfte über den positiven Lenkrollradius r ein Lenkmoment auf die Lenkachse 14 ausüben, das sich als Lenkkraftunterstützung auswirkt und das am Lenkhandrad 27 aufzubringende Lenkmoment entsprechend verringert.
Ein vorliegender Ausfall der Servolenkung 24 kann dadurch erkannt werden, dass das über den Lenkmomentsensor 28 gemessene, manuell aufgebrachte Lenkmoment einen regulären Wert übersteigt. Zusätzlich oder alternativ kann aber auch die Funktion der Servolenkung 24 überwacht sein, z. B. mittels eines Durchflusssensors 29 in der Lenkhydraulik.
Der bei Ausfall der Servolenkung 24 eingesteuerte Bremsdruck auf die jeweilige Scheibenbremse 19 ist geschwindigkeitsabhängig, abhängig vom vorliegenden Lenkwinkel und lenkgeschwindigkeitsabhängig. Dieser Bremsdruck soll so groß sein, dass die Betätigungskräfte ein gewisses Maß nicht überschreiten und soll klein genug sein, um ein selbsttätiges Auslenken zu vermeiden. Das heißt, dass die Bremskraft derart gesteuert/geregelt ist, dass eine definierte Lenkkraftunterstützung gewährleistet wird.
Beim Durchfahren von relativ engen Kurven kann auch das kurveninnere, hintere Rad 18 über das Steuergerät 22 des Kraftfahrzeuges mit angebremst werden, um eine noch verbesserte Kurvenwilligkeit bereit zu stellen. Dabei kann auch die Überwachung der Gierrate des Kraftfahrzeuges zur Sicherstellung einer hohen Fahrstabilität bei ggf. ungünstigen Fahrbahnverhältnissen in die Ausfallroutine miteinbezogen sein.
Bezugszeichenliste

1: Radaufhängung
2: Vordere Räder
3: Raddrehachse
4: Radträger
5: Kugelgelenke
6: Querlenker
7: Querlenker
8: Schwenklager
9: Aufbau
10: Federbein
11: Lenkarm
12: Spurstangen
13: Lenkeinrichtung
14: Lenkachse
15: Fahrbahn
16: Radaufstandsrriittelpunkt
17: Senkrechte
18: Hintere Räder
19: Scheibenbremsen
20: Bremspedal
21: Hauptbremszylinder
22: elektro-pneumatische Steuerung
23: Pneumatik-Leitungen
24: Servolenkung
25: Lenkwelle
26: Lenksäule
27: Lenkhandrad
28: Lenkmomentsensor
29: Lenkwinkelsensor
30: elektrische Leitung
31: elektrische Leitung
r: Lenkrollradius
α: Radstanzwinkel
γ: Spreizungswinkel

Claims

Vorrichtung zur Lenkkraftunterstützung eines Kraftfahrzeuges mit zumindest zwei Achsen, von denen zumindest eine Achse über eine Servolenkung (24) gelenkt ist und die Räder (2, 18) des Kraftfahrzeuges über eine Betriebsbremse (19, 20, 21) bremsbar sind, wobei zur Erzeugung einer Lenkkraftunterstützung, bei Ausfall der Servolenkung (24) die Radaufhängung (1) der lenkbaren Räder (2) durch entsprechende Auslegung von Radführungselementen (4, 5, 6, 7, 8) über einen Spreizungswinkel (γ) der Lenkachse (14) und/oder einen Radsturzwinkel (a), einen positiven Lenkrollradius (r) aufweist, wobei der Spreizungswinkel (γ) derart ausgeführt ist, dass die Lenkachse (14) in Fahrzeughochachsenrichtung von unten nach oben gesehen nach innen zur Fahrzeugmitte hin geneigt ist, wobei das Kraftfahrzeug mit einem elektronischen Bremssystem und/oder einem Fahrstabilitätsprogramm ausgestattet ist und einem elektronischen Steuergerät (22), in welchem neben den bereits vorhandenen, fahrdynamischen Parametern auch das eingebrachte Lenkmoment oder der Lenkwinkel der Servolenkung (24) eingelesen und in einer Routine zur Lenkkraftunterstützung bei ausgefallener Servolenkung (24) die Radbremsen (19) entsprechend angesteuert werden, wobei das jeweils kurveninnere Rad (2) abhängig vom Lenkwinkel und/oder dem aufgebrachten Lenkmoment gebremst wird, und wobei über das elektronische Steuergerät (22) ferner bei nicht funktionsfähiger Servolenkung (24) das zumindest eine kurveninnere Rad (18) wenigstens einer nicht lenkbaren Achse wenigstens abhängig vom Lenkwinkel der gelenkten Räder (2) zur Verstärkung des Giermomentes des Kraftfahrzeuges gebremst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkachse (14) ferner zur Bildung einer eine Lenkungsrückstellung bewirkenden Nachlaufstrecke (s) in Fahrzeughochachsenrichtung von oben nach unten gesehen in Fahrzeuglängsrichtung, nach vorne geneigt und gegenüber der Radmitte in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne versetzt ist, wobei die Nachlaufstrecke (s) derart ausgelegt ist, dass eine definierte Lenkungsrückstellung auch bei nicht funktionsfähiger Servolenkung (24) gewährleistet ist, und dass die Bremskraft an dem zu bremsenden, kurveninneren Rad (2) abhängig vom anliegenden Lenkmoment oder der Lenkstellung derart geschwindigkeitsabhängig, abhängig vom Lenkwinkel und lenkgeschwindigkeitsabhängig, geregelt oder gesteuert ist, dass die Betätigungskräfte am Lenkhandrad (27) ein definiertes Maß nicht übersteigen.