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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrohydraulischen
Lenkung, bei welchem eine hydraulische Pumpe, die von einem Elektromotor
angetrieben ist, einen Lenkaktor, insbesondere einen Lenkzylinder
mit Hydraulikfluid beaufschlagt. Die Erfindung betrifft weiterhin
eine elektrohydraulische Lenkung dieser Art.
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Elektrohydraulische
Lenkungen sind im Stand der Technik bekannt und stellen eine Weiterentwicklung
der hydraulischen Lenkung dar, bei welcher eine Hydraulikpumpe durch
die Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, wobei durch eine
mit der Lenksäule
verbundene Ventilsteuerung eine Fluid- und Druckbeaufschlagung eines
Lenkzylinders derart gesteuert wird, dass ein Fahrer bei der Durchführung von
Lenkbewegungen entlastet wird.
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Die
eingangs genannte elektrohydraulische Lenkung stellt eine Weiterentwicklung
der hydraulischen Lenkung dar, bei welcher in diesem Fall die hydraulische
Pumpe nicht direkt von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben
wird, sondern mittels eines Elektromotors. Dies hat den Vorteil,
dass der Volumenstrom, der von der hydraulischen Pumpe erzeugt wird,
unabhängig
ist von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und somit die
Möglichkeit
geschaffen wird, das Lenkmoment situationsbedingt anzupassen. Beispielsweise
kann der Elektromotor so geregelt werden, dass das Lenkmoment beim
Parken geringer ist als bei normalen Fahrten und bei schnellen Autobahnfahrten
beispielsweise größer ist
als bei Stadtfahrten mit geringerer Geschwindigkeit.
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Dieses
bekannte System hat jedoch den Nachteil, dass eine Momentenüberlagerung
im Sinne eines aktiven Eingriffs in die Lenkvorgabe des Fahrers
nicht möglich
ist und das Lenkradmoment selbst nur in einem sehr eingeschränkten Bereich
reguliert werden kann. Bei derartigen elektrohydraulischen Lenkungen
wird die Drehzahl des Elektromotors lediglich entsprechend der aufzubringenden
Momente am Lenkrad, also im Wesentlichen in Abhängigkeit der Fahrsituation
geregelt und nicht entsprechend der benötigten Lenkleistung. Dies führt auch
dazu, dass ein eingesetzter Elektromotor häufig in ungünstigen Drehzahlbereichen arbeiten
muss. Die Verlustleistung des Elektromotors ist in solchen Anwendungen
dementsprechend groß,
wodurch die Beschränkung
des Einsatzbereichs derartiger elektrohydraulischer Lenkungen auf
leichte Fahrzeuge gegeben ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine universelle Lenkung bereit zu
stellen, mittels der die Möglichkeit
geschaffen wird, bei Lenkungen ein zusätzliches Moment auf das vom
Fahrer aufgebrachte Moment zu addieren oder davon zu subtrahieren
und darüber
hinaus auch Winkelüberlagerungen
zu ermöglichen,
bei denen zusätzlich
zum Drehwinkel, wie er vom Fahrer am Lenkrad vorgegeben wird, ein
weiterer Drehwinkel zu dieser Lenkradbewegung aufaddiert oder davon
subtrahiert werden kann. Bevorzugt ist es weiterhin die Aufgabe
das aufzubringende Lenkmoment fahrsituationsbedingt anzupassen, dementsprechend
also eine Variabilität
des Lenkmomentes bereitzustellen. So ist es insgesamt die Aufgabe
der Erfindung, eine gattungsgemäße Lenkung bereitzustellen,
die sich je nach vorliegender Fahrsituation und insbesondere in
Abhängigkeit
von der Fahrgeschwindigkeit hinsichtlich der eingangs genannten
Kriterien adaptieren lässt.
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Diese
Aufgabe wird bei einer elektrohydraulischen Lenkung bzw. bei einem
Verfahren zum Betrieb einer elektrohydraulischen Lenkung gemäß der eingangs
genannten gattungsgemäßen Art
dadurch gelöst,
dass die Pumpe, mittels welcher ein Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder
mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird, erfindungsgemäß von einer
Welle eines Summiergetriebes angetrieben wird, in welchem die Rotation
der Abtriebswelle des Elektromotors mit der Rotation der Lenkwelle überlagert
wird.
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Dabei
wird unter einem Summiergetriebe im Sinne der Erfindung jegliche
mechanische Getriebekonstruktion verstanden, die wenigstens zwei
rotierte Eingangswellen aufweist und eine Ausgangswelle, deren Rotation,
insbesondere Drehwinkel und/oder Winkelgeschwindigkeit, abhängig ist
von der jeweiligen Rotation der beiden Eingangswellen. Dabei erfolgt
je nach Drehrichtung der beiden Eingangswellen zueinander eine Addition
bzw. Subtraktion dieser Rotationen mit einer entsprechend daraus
resultierenden Rotation der Ausgangswelle.
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Bei
einem Summiergetriebe, wie es im Rahmen der Erfindung eingesetzt
werden kann, handelt es sich in bevorzugter Ausführung um ein Planetengetriebe,
ein Differentialgetriebe oder auch ein Flex-Spline-Getriebe. Dabei
weist beispielsweise ein Planetengetriebe als Anschlusswellen das
Sonnenrad, das Hohlrad und den Steg auf, wohingegen ein Differentialgetriebe
beispielsweise als Anschlusswellen zwei Kegelradwellen und den Kegelradkorb
besitzt.
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Es
besteht demnach die Möglichkeit,
diese jeweils vorhandenen drei Wellen einzusetzen, um diese mit
der Lenksäule,
der hydraulischen Pumpe und dem Elektromotor zu verbinden. Dabei
können durch
unterschiedlichste Anschlussmöglichkeiten und
insbesondere die Wahl der jeweiligen Zähnezahl in dem ausgewählten Getriebetyp
die Übersetzungsverhältnisse
in weiten Bereichen variiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. die erfindungsgemäße elektrohydraulische
Lenkung weist dabei eine Pumpe auf, die gegenüber üblichen hydraulischen Lenkungsvarianten
bevorzugt nicht kontinuierlich angetrieben ist und demnach ein Hydraulikfluid
nicht – wie üblich – im Kreislauf
umpumpt, sondern die lediglich in den Augenblicken durch die Rotation
der Lenksäule
und des Elektromotors über das
Summiergetriebe angetrieben wird, in denen eine Lenkbewegung erfolgt.
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Demnach
ist es bei der erfindungsgemäßen Ausführung bevorzugt
vorgesehen, dass die Saug- und Druckseite der hydraulischen Pumpe
mit den beidseitig zum Kolben des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders
angeordneten Kolbenräumen
verbunden ist, um diese lenkbedingt mit Hydraulikfluid zu beaufschlagen.
Es wird demnach bei durchgeführten Lenkbewegungen
mittels der hydraulischen Pumpe das Hydraulikfluid zwischen den
beiden Kolbenräumen
des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders hin- und hergepumpt,
um durch die so erzeugte Bewegung des Kolbens im Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder
die Lenkstange und die damit verbundenen Räder eines Fahrzeugs zu bewegen.
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Um
dabei das Umpumpen der Hydraulikflüssigkeit zwischen den beiden
Kolbenräumen
des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders zu ermöglichen, ist
es bevorzugt vorgesehen, dass der Elektromotor in beiden Drehrichtungen
eingesetzt werden kann, so dass durch entsprechende Auswahl der
Drehrichtung des Motors zwischen den Lenkbewegungen nach rechts
und links unterschieden werden kann und beispielsweise eine Aufaddition
der Motordrehung richtungsgleich mit der Rotation der Lenksäule erfolgt.
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Ebenso
ist es in einer Ausführung
möglich, die
Drehrichtung des Motors beizubehalten und eine hydraulische Pumpe
einzusetzen, bei welcher die Saug- und Druckseite umschaltbar sind.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung erfolgt
eine Kombination beider Prinzipien, d. h. eines in beiden Drehrichtungen
betreibbaren Motors mit einer hydraulischen Pumpe, bei welcher Saug-
und Druckseite, bevorzugt durch von außen kommende Steuerung vertauscht
werden kann.
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Durch
den erfindungsgemäßen Einsatz
eines Summiergetriebes wird hier erreicht, dass auf die Drehung
der Lenksäule,
wie sie von einem Fahrer vorgegeben wird, eine zusätzliche
Drehung mittels der Ansteuerung des Elektromotors aufaddiert bzw. je
nach Drehrichtung des Elektromotor relativ zur vorgegebenen Drehung
der Lenksäule
aber auch subtrahiert werden kann.
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Somit
lässt sich
mit der erfindungsgemäßen Lenkung
eine Winkelüberlagerung
realisieren durch eine entsprechende Regelung des Elektromotors,
die insbesondere fahrsituationsabhängig erfolgt. So kann beispielsweise
beim Parkieren mit geringen Winkeländerungen am Lenkrad ein großer Hub
am Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder erreicht werden, indem der
Elektromotor dem vorgegebenen Drehwinkel des Fahrers einen weiteren
Drehwinkel additiv überlagert.
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Demgegenüber kann
es bei Autobahnfahrten vorgesehen sein, dass mittels des Elektromotors auf
dem vom Fahrer vorgegebenen Drehwinkel am Lenkrad ein gegenüber dem
Parkieren geringerer Drehwinkelanteil aufaddiert wird oder dass
sogar ein Drehwinkelanteil subtrahiert wird. Allgemein kann es vorgesehen
sein, dass der vom Elektromotor auf den durch die Lenksäule vorgegebenen
Drehwinkel zusätzlich
aufaddierte Drehwinkel fahrsituationsabhängig ist, insbesondere fahrgeschwindigkeitsabhängig.
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Da
sich die Rotationsgeschwindigkeit der hydraulischen Pumpe jeweils
aus den überlagerten
Bewegungen der Eingangswellen des hier eingesetzten Summiergetriebes
ergibt, besteht so die Möglichkeit, fahrsituationsbedingt
bei vorgegebenen Lenkradwinkeln verschiedene Stellweiten am Lenkaktor,
insbesondere Lenkzylinder zu realisieren.
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Es
besteht dabei erfindungsgemäß auch die Möglichkeit
zur Momenten-Überlagerung,
so dass mittels der erfindungsgemäßen Lenkung beispielsweise
Funktionen, wie Spurhalteassistenten, Seitenwindkompensation oder
Parkhilfen realisiert werden können.
So kann aufgrund von bestimmten Fahrsituationen, die beispielsweise
autonom durch Sensorik des Fahrzeugs erfasst werden, Gefahrensituationen festgestellt
werden, wobei bei Feststellung einer solchen Gefahrensituation ein
korrigierendes Eingreifen des Fahrzeugs in die Lenkung durch entsprechende Ansteuerung
des Elektromotors mittels einer übergeordneten
Steuerung erfolgen kann.
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Das
vollständige Übernehmen
eines Lenkvorgangs, z. B. beim Parken ist ebenfalls mit der hier beschriebenen
Lenkung möglich,
da die Möglichkeit besteht,
die Verstellung des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders alleine
durch den gesteuerten Betrieb des Elektromotors ohne zusätzliche
Lenkmomente durch den Fahrer zu bewerkstelligen.
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So
kann beispielsweise beim Parken durch eine übergeordnete Steuerung, beispielsweise
im Standgas eines Fahrzeugs mit gesteuerter schleifender Kupplung
bzw. äquivalent
bei Automatikgetrieben, ein selbsttätiges Einparken des Fahrzeugs
vorgenommen werden. Dabei kann es ergänzend vorgesehen sein, dass
zur eindeutigen Definition der durch das Fahrzeug autonom durchgeführten Lenkbewegungen
mittels der Ansteuerung des Elektromotors eine Feststellbremse betätigt wird,
die vorgesehen ist, um die Lenksäule
zu arretieren, damit nicht während
eines solchen automatischen Parkvorgangs der Fahrer auf die durch
den Elektromotor vorgegebenen Lenkmomente seinerseits ein Lenkmoment überlagern
kann.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann es hier vorgesehen sein, als hydraulische Pumpe eine hydraulische
Verstellpumpe einzusetzen. Eine solche Verstellpumpe zeichnet sich dadurch
aus, dass deren Schluckvolumen in Abhängigkeit wenigstens einer äußeren Größe eingestellt werden
kann. Dabei wird unter dem Schluckvolumen einer solchen Verstellpumpe
das von der Pumpe geförderte
Volumen von Hydraulikflüssigkeit
pro Umdrehung verstanden. So kann demnach beispielsweise bei konstant
bleibender Drehzahl einer derartigen Pumpe durch eine äußere Stellgröße das Schluckvolumen
geändert
werden und damit das Fördervolumen
individuell beeinflusst werden.
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Der
Einsatz einer solchen Verstellpumpe hat bei der erfindungsgemäßen Lenkung
den besonderen Vorteil, dass sich das Lenkradmoment unmittelbar
verstellen bzw. einstellen lässt.
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Bei
einer solchen Pumpe wird beispielsweise durch Erhöhen des
Schluckvolumens auch deren Antriebsmoment erhöht. Wird das Schluckvolumen
hingegen verringert, wie es beispielsweise bevorzugt bei einer Parksituation
vorgesehen sein kann, so wird das Antriebsmoment der Pumpe ebenso
verringert.
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Die Änderung
des Antriebsmomentes der hier erfindungsgemäß eingesetzten Verstellpumpe bewirkt
dabei unmittelbar auch eine Veränderung
des durch einen Fahrer aufzubringenden Lenkmomentes, da die Drehmomente
an den Ein- bzw. Ausgängen
des Summiergetriebes in Abhängigkeit
von der Art des Getriebes und von den gewählten Zähnezahlen in einem festen Verhältnis zueinander
steht.
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Eine
Veränderung
des Antriebsmomentes der Pumpe durch Änderung des Schluckvolumens wirkt
damit unmittelbar auf das Lenkmoment am Lenkrad zurück. Es besteht
somit erfindungsgemäß die Möglichkeit,
durch eine äußere Steuerung
bzw. Regelung der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen
Lenkung das Lenkradmoment fahrsituationsbedingt individuell anzupassen.
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Dabei
kann es hier vorgesehen sein, dass das Schluckvolumen der Verstellpumpe
eingestellt wird mittels eines Aktors, beispielsweise mittels eines Elektrozylinders,
dessen Sollstellung in Abhängigkeit von
dessen Iststellung und wenigstens der Fahrzeuggeschwindigkeit geregelt
wird. So kann in einem Fahrzeug mit einer elektrohydraulischen Lenkung der
erfindungsgemäßen Art
ein Regelkreis realisiert sein, beispielsweise in einem entsprechenden
Steuergerät
der Lenkungseinheit, mittels der in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit
das Schluckvolumen an der Pumpe eingeregelt wird. Gegebenenfalls kann
hier statt einer Regelung auch lediglich eine Steuerung vorgesehen
sein, welche in Abhängigkeit einer äußeren Meßgröße, wie
z. B. der Fahrgeschwindigkeit das einzustellende Schluckvolumen vorgibt.
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Ebenso
kann auch eine Regelung zur Beeinflussung des Antriebes des Elektromotors
vorgesehen sein, bei welcher der Antrieb des Elektromotors geregelt
erfolgt, z. B. durch eine Ermittlung einer Regelabweichung zwischen
der Lenkradsollstellung und der Lenkradiststellung, die in Abhängigkeit
der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Iststellung des Lenkaktors,
insbesondere Lenkzylinders bevorzugt aus einem Kennfeld ermittelt
wird, wobei in Abhängigkeit
der festgestellten Regelabweichung eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung
des Elektromotors erfolgen kann.
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Die
Regelungen des Elektromotorantriebs bzw. des Schluckvolumens der
Pumpe können
miteinander verknüpft
sein, um die verschiedensten Fahrsituationen zu erfassen, insbesondere
durch Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit, um so die Einregelung
oder auch nur die gesteuerte Verstellung von Elektromotor und Pumpe
vorzunehmen. Lenkradstellungen können
dabei beispielsweise durch wenigstens einen Winkelsensor an der
Lenksäule
erfasst werden, wobei Fahrzeuggeschwindigkeiten beispielsweise durch
einen Abgriff an der Tachowelle, ABS-Sensoren oder sonstiger Sensorik
an die Regelkreise zur Verfügung
gestellt werden können.
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Beispielsweise
kann eine Regelung des Elektromotors sodann derart erfolgen, dass
dessen Drehzahl in Abhängigkeit
der Fahrzeuggeschwindigkeit geregelt wird, z. B. zumindest bereichsweise
mit steigender Geschwindigkeit abnimmt. So erfolgt mit steigender
Geschwindigkeit aufgrund der Wirkung des Summiergetriebes eine immer
geringere Aufaddition von Drehwinkeln auf die Drehwinkelvorgabe der
Lenksäule,
so dass eine solche erfindungsgemäße Lenkung mit steigender Geschwindigkeit
gegenüber
den Drehwinkelvorgaben eines Fahrers unempfindlicher wird, was für Autobahnfahrten
vorteilhaft ist.
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Demgegenüber wird
entsprechend bei langsamen Fahrten eine höhere Aufaddition von Drehwinkeln
mittels des Summiergetriebes durch die entsprechende Ansteuerung
bzw. Regelung des Elektromotors erfolgen, so dass bei geringeren
Geschwindigkeiten schon eine geringe Drehwinkeländerung am Lenkrad zu einer
signifikanten Lenkbewegung führt.
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Das
von einem Fahrer aufzubringende Handmoment kann sodann weiterhin
eingestellt werden durch das Schluckvolumen der Verstellpumpe, wie
es eingangs genannt wurde, insbesondere derart, dass bei einem Parkvorgang
ein geringes Schluckvolumen eingestellt wird und demnach das Antriebsmoment
in der Pumpe gering ist und so ein Fahrer auch nur ein geringes
Handmoment aufzubringen hat, um einen Lenkvorgang zu bewirken.
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So
kann durch entsprechende Steuerung bzw. Regelung sowohl von der
Pumpe als auch vom Elektromotor demnach erzielt werden, dass durch
die erfindungsgemäße Verknüpfung von
Motor und Pumpe über
das Summiergetriebe für
den Fahrer sehr leicht geringe Winkelstellungen am Lenkrad vorgenommen
werden können,
die in großen
Verstellungen am Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder resultieren,
beispielsweise beim Parken bzw. im anderen Extrem bei Autobahnfahrten
ein vergleichsweise hohes Lenkmoment durch Einstellung eines großen Schluckvolumens
der Verstellpumpe realisiert wird und der Motor mit geringen Rotationsgeschwindigkeiten
betrieben wird, so dass vergleichsweise schwerer auszuführende Lenkbewegungen
am Lenkrad nur geringe Verstellungen am Lenkaktor, insbesondere
Lenkzylinder bewirken. Es lassen sich daher z. B. durch Berücksichtigung
von Kennfeldern Regelungen von Motor und Pumpe realisieren um eine
Vielzahl von Fahrsituationen abzudecken.
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In
einer weiteren möglichen
Ausführung kann
auch eine Erfassung der Position des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders
vorgesehen sein, z. B. mittels eines Positionssensors. Es kann so
eine Positionsregelung realisiert werden unter der Berücksichtigung,
dass der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel bei verschiedenen Fahrsituationen
auch unterschiedlichen Lenkzylinderpositionen entsprechen kann.
So kann ein Signal des Positionssensors auch an eine übergeordnete
Steuerung/Regelung bereitgestellt werden.
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Insbesondere
kann in Abhängigkeit
eines Signals des Positionssensors auch eine Feststellbremse zum
Feststellen der Lenksäule
angesteuert werden, die ein Weiterdrehen der Lenksäule blockiert, wenn
die maximale Auslenkung des Lenkaktors erreicht ist.
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In
einer konstruktiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lenkung
ist es vorgesehen, dass im Normalbetrieb dieser Lenkung die Lenksäule keine
direkte Verbindung zur Lenkstange aufweist, also keine Kopplung
zu einem Ritzel, wie es bei üblichen Lenkungen
bekannt ist. Insbesondere für
eine Funktion dieser erfindungsgemäßen Lenkung in einer Notlaufsituation,
beispielsweise wie sie bei einem Fehler in der Pumpe oder dem Elektromotor
auftreten könnte,
kann es vorgesehen sein, die Drehbewegung der Lenksäule mittels
einer Kupplung direkt an einen Lenkritzel zur direkten Verbindung
mit einer Lenkstange zu schalten.
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Es
besteht sodann mittels der gekuppelten Verbindung die Möglichkeit,
mit dem Lenkrad direkt das Lenkritzel zu drehen und demnach die
Lenkstange zu verschieben, um eine Lenkbewegung an den Rädern auszuführen. Es
wird so sichergestellt, dass selbst bei ausgefallenem Motor bzw.
Pumpe eine Lenkbewegung durch den Fahrer vorgenommen werden kann.
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Da
eine Ankupplung der Lenksäule
an das Lenkritzel mittels einer einfachen Kupplung jedoch den Nachteil
hat, dass in dieser konstruktiven Konfiguration das Summiergetriebe
mit daran angeschlossener Pumpe und Elektromotor durch die Lenkbewegung
des Fahrers mitgeschleppt werden muss, ist es in einer besonders
bevorzugten Ausführung
vorgesehen, statt einer einfachen Kupplung eine Umschaltkupplung
vorzusehen, die in einem Normalbetrieb die Lenksäule an das Summiergetriebe
schaltet und in einer Notlaufsituation unter Lösung der Verbindung zum Summiergetriebe
direkt die Lenksäule
an das Lenkritzel und somit die Lenkstange schaltet. Es kann sodann
wie eingangs genannt durch den Fahrer auch in der Notlaufsituation,
beispielsweise bei ausgefallenem Elektromotor oder ausgefallener
Hydraulikpumpe das Lenken des Fahrzeugs bewirkt werden, ohne dass
hierbei die ausgefallenen Komponenten durch die Drehung der Lenksäule mitgeschleppt
werden müssen.
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es
zeigen:
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1:
eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Lenkung mit Darstellung
der Grundkomponenten
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2:
eine bevorzugte Ausführungsform
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3:
eine Momentenregelung zur Verstellung des Schluckvolumens einer
Verstellpumpe
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4:
eine Regelung zur Drehwinkelüberlagerung
von Lenksäule
und Elektromotor
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5:
die mögliche
hydraulische Peripherie der Verstellpumpe
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In
der 1 ist hier als erfindungswesentliche konstruktive
Einheit ein Summiergetriebe 1 mit insgesamt drei Wellen,
nämlich
einer Eingangswelle 1a, die mit der Lenksäule 2 verbunden
ist, einer weiteren Eingangswelle 1b, die mit der Abtriebswelle des
Elektromotors 3 verbunden ist sowie einer dritten Welle 1c,
die mit der Antriebswelle der hydraulischen Pumpe 4 verbunden
ist.
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Bei
dieser konstruktiven Ausgestaltung ist es erkennbar, dass die Drehzahl
der hydraulischen Pumpe 4 abhängig ist von der Drehzahl der
Ausgangswelle 1c des Summiergetriebes, die wiederum abhängig ist
von den jeweiligen Eingangsdrehzahlen, wie sie von der Lenksäule 2 und
dem Elektromotor 3 an den entsprechenden Eingangswellen 1a und 1b anliegen
und sich dabei sowohl additiv als auch subtraktiv überlagern
können.
Die hydraulische Pumpe 4 ist dabei mit ihren beiden Ein-/Ausgängen 4a und 4b an
die beiden zur Verfügung
stehenden Kolbenräume 5a und 5b des
Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders 5 angeschlossen,
so dass je nachdem, in welchen der Kolbenräume des Lenkaktors, insbesondere
Lenkzylinders 5 das Fluid mittels der hydraulischen Pumpe
hineinbefördert
wird, die Lenkstange des Zylinders 5 eine entsprechende Auslenkung nach
links oder rechts erfährt.
Mit der Pumpe 4 ist es sowohl möglich vom Anschluß 4a zum
Anschluß 4b zu
pumpen, als auch umgekehrt.
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Bei
dieser Ausführung
kann es vorgesehen sein, dass durch eine hier von außen vorgegebene Steuergröße 6 bei
einer, z. B. von einem Drehwinkelsensor festgestellten Lenkbewegung
der Lenksäule 2 der
Elektromotor 3 bevorzugt fahrsituationsbedingt betrieben
wird. Beispielsweise kann die von außen zugeführte Steuergröße eine
Fahrsituation abhängig von
verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten vorgeben und dementsprechend
in Abhängigkeit
der Geschwindigkeit des Fahrzeugs die Rotationsgeschwindigkeit und/oder
Rotationsweite des Motors bei einer durch den Fahrer vorgegebenen
Lenkbewegung am Lenkrad einstellen. Hierfür kann eine in der 1 nicht
gezeigte Steuerelektronik vorgegeben sein, welche Eingangsgrößen, wie
beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder den Drehwinkel der
Lenksäule
empfängt
und in Abhängigkeit
hiervon die Steuergröße 6 für den Elektromotor
bereitstellt, beispielsweise in Form einer Pulsweiten-Modulation, deren
Pulsweite in Abhängigkeit
der festgestellten Fahrsituation, insbesondere in Abhängigkeit
der Fahrzeuggeschwindigkeit und bevorzugt dem Drehwinkel der Lenksäule erstellbar
ist.
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Die
hier dargestellte prinzipielle 1 zeigt den
Normalbetrieb einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung,
bei welcher die Bewegung der Lenkstange lediglich durch das Umpumpen
des Hydraulikfluids zwischen den Kolbenkammern 5a und 5b des
Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders 5 mittels der hydraulischen
Pumpe 4 erfolgt.
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Es
kann dabei für
das Hin- und Herpumpen der Hydraulikflüssigkeit zwischen den Kolbenkammern 5a und 5b vorgesehen
sein, die Drehrichtung der hydraulischen Pumpe zu ändern, wofür bei einer entsprechenden
Drehrichtungsvorgabe durch den Fahrer am Lenkrad der Elektromotor
in einer entsprechenden, bevorzugt gleichen Richtung betrieben wird,
um beispielsweise bei einer Winkelüberlagerung eine entsprechende
Aufaddition eines zusätzlichen
Drehwinkels, insbesondere ergänzend
fahrsituationsbedingt, vorzunehmen.
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Dementsprechend
ist es hier vorgesehen, den Elektromotor in beiden zur Verfügung stehenden Drehrichtungen
betreiben zu können,
wobei jede der beiden Drehrichtungen einer Lenkraddrehrichtung zugeordnet
ist. Es ändert
sich damit gleichzeitig aufgrund der geänderten Drehrichtung an der
Antriebswelle 1c auch die Pumprichtung bei der hydraulischen
Pumpe, so dass entweder je nach Drehrichtung Hydraulikfluid aus
dem Kolbenraum 5a in den Kolbenraum 5b oder umgekehrt
gepumpt wird. Bevorzugt ist demnach die hydraulische Pumpe derart betrieben,
dass diese in beiden Richtungen das Hydraulikfluid fördern kann.
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Dies
kann dabei sowohl vorgesehen sein durch Umkehr der Drehrichtung
der Antriebswelle 1c der Pumpe als auch durch eine gegebenenfalls
vorgesehene Umschaltbarkeit zwischen Saug- und Druckseite der hydraulischen
Pumpe bei gleich bleibender Drehrichtung der Antriebswelle 1c.
Eine solche Umschaltbarkeit kann sich beispielsweise bei Verstellpumpen
ergeben, deren Schluckvolumen in Abhängigkeit von einer äußeren Stellgröße einstellbar
ist.
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Die 2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen
Lenkung. Erkennbar ist hier wiederum ein erfindungsgemäßes Summiergetriebe 1,
welches vorliegend als Differentialgetriebe ausgebildet ist. Bei diesem
Differentialgetriebe 1 ist eines der Kegelräder, hier
das obere Kegelrad, mit der Abtriebswelle des Motors 3 verbunden.
Dieses Kegelrad stellt demnach die eine Eingangswelle 1b des
Summiergetriebes dar, wie es in der Prinzipübersicht gemäß der 1 beschrieben
wurde. Die andere Eingangswelle 1a ist hier vorliegend
realisiert durch den Kegelradkäfig
des Differentialgetriebes, der über
ein Zahnrad 2a mit der Lenksäule 2 verbunden ist.
So kann hier auf eine Winkelvorgabe an der Lenksäule 2 durch einen Fahrer
am Lenkrad ein weiterer Drehwinkel durch entsprechende Ansteuerung
des Elektromotors 3 aufaddiert werden, wobei an dem unteren
Kegelrad des Differentialgetriebes, welches die Ausgangswelle 1c gemäß der
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1 bildet,
die Überlagerung
der Rotation der beiden Eingangswellen 1a und 1b anliegt
und in dieser Ausführung
bevorzugt eine Verstellpumpe 4 mit einstellbarem Schluckvolumen
antreibt. Auch hier ist erkennbar, dass die Verstellpumpe 4 mit
ihren Ausgängen 4a und 4b mit
den respektiven Kolbenräumen 5a und 5b des
Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders 5 verbunden ist,
um Hydraulikfluid zwischen diesen beiden Kolbenräumen hin- und herzupumpen.
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Die
konstruktive Ausgestaltung bei der hier dargestellten elektrohydraulischen
Lenkung sieht dabei vor, dass mittels eines Drehwinkelsensors 7,
der bevorzugt mit einem Drehmomentensensor kombiniert sein kann,
ein vom Fahrer vorgegebener Drehwinkel erfasst werden kann, um in
Abhängigkeit
von diesem Drehwinkel und einer parallel erfassten Fahrsituation,
wie beispielsweise der Geschwindigkeit, eine Vorgabe 6 für die Rotationsgeschwindigkeit und/oder – weite
des Elektromotors 3 sowie auch weiterhin eine Vorgabe 6a für ein einzustellendes Schluckvolumen
an der Verstellpumpe 4 mittels einer auswertenden Steuerung/Regelung
bereitzustellen.
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Dabei
zeigt die 2 auch, dass innerhalb der Lenksäule 2 eine
Torsionsfeder 8 realisiert sein kann, wie sie auch von üblichen
Lenkungen bekannt ist. Eine derartige Realisierung ist jedoch nicht
zwingend nötig,
kann jedoch insbesondere in Verbindung mit einer Feststellbremse 9 Vorteile
bieten, um in einer Situation der arretierten Feststellbremse 9 eine Lenkwinkelvorgabe
eines Fahrers detektieren zu können,
da dieser aufgrund der Torsionsfederverbindung in der Lage ist,
auch bei festgestellter Lenksäule
eine zumindest bereichsweise Drehung am Lenkrad zu erzielen und
so eine Messwerterfassung am Drehwinkelsensor 7 zu erzeugen.
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Eine
Feststellbremse 9 kann hier beispielsweise vorgesehen sein,
um Endanschläge
des Drehwinkelbereiches am Lenkrad zu realisieren oder aber auch,
um autonome Lenkbewegungen, die durch das Fahrzeug selbst gesteuert
sind, wie beispielsweise bei einem automatisierten Parkvorgang,
zu ermöglichen, ohne
dass der Fahrer in die automatisierte Lenkbewegung eingreifen kann.
Hierfür
kann es vorgesehen sein, die Feststellbremse 9 zu betätigen, beispielsweise
durch eine übergeordnete
Steuerung, worauf sodann ein Steuerprogramm, z. B. Parkprogramm
durchlaufen wird, welches vorsieht, dass der Elektromotor automatisiert
angesteuert wird, um Lenkbewegungen entsprechend dieses Programms, bevorzugt
Parkprogramms durchzuführen,
insbesondere um ein Fahrzeug beispielsweise in eine Parklücke einzuparken.
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Die
hier dargestellte Ausführungsform
in der 2 zeigt weiterhin eine elektrisch schaltbare Kupplung 10,
die in der normalen üblichen
Betriebssituation dieser hier gezeigten erfindungsgemäßen Lenkung
zur Lenkstange 5c geöffnet
ist, so dass ein Lenkvorgang hier nur über das Summiergetriebe 1 erfolgt,
nicht jedoch über
eine direkte Übertragung der
Drehbewegung der Lenksäule 2 auf
das Ritzel 2b und die Lenkstange 5c. Lediglich
in einer Notlaufsituation kann es vorgesehen sein, die elektrisch
schaltbare Kupplung 10 zu betätigen und damit die Lenksäule 2 hinsichtlich
einer Drehbewegung vom Lenkrad unmittelbar auf das Ritzel 2b durchzuschalten.
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Dabei
kann es hier vorgesehen sein – wie dargestellt – die Kupplung
als Umschaltkupplung auszubilden, welche beim Aufschalten der Lenksäule auf
das Ritzel 2b automatisch die Verbindung zum Summiergetriebe 1 löst.
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Steuer-
bzw. Regelmöglichkeiten
der hier beschriebenen erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung
sind in der 3 näher dargestellt. Die 3 zeigt
hierbei die Möglichkeit
einer Momentenregelung, bei welcher die Geschwindigkeit 11 des Fahrzeugs
als Eingangsgröße dient.
Die Regelung ist hier vorgesehen, um diese Geschwindigkeit des Fahrzeugs 11 in
einen Sollwert des Schluckvolumens der hydraulischen Pumpe zu transferieren,
wofür es beispielsweise
vorgesehen ist, einen entsprechenden Sollwert für die Stellung eines Elektrozylinders bereitzustellen,
mit welchem an der Verstellpumpe das Schluckvolumen eingestellt
wird.
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So
ist hier in vereinfachter Form dargestellt, dass in Abhängigkeit
der Fahrzeuggeschwindigkeit 11 mit dem grafisch symbolisierten
Zusammenhang 12 vereinfacht lediglich zwei verschiedene
Schluckvolumina zur Einstellung einer Pumpe 4 bereit gestellt
werden. Dieser Zusammenhang 12 stellt lediglich eine symbolisierte
vereinfachte Darstellung dar, es versteht sich jedoch für den Fachmann,
dass der funktionale Zusammenhang zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit
und Schluckvolumen der Pumpe auch eine Vielzahl von Stufen oder
einen komplexeren Zusammenhang als den hier dargestellten aufweisen kann.
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Das
so aus der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelte Schluckvolumen stellt
eine Sollgröße 13 dar, die
in dem hier dargestellten Regelkreis mit dem Istschluckvolumen 14 der
Pumpe verglichen wird, um aus der so festgestellten Regelabweichung 15 entsprechend
eines gegebenen Zusammenhangs 16 der hier lediglich beispielhaft
und vereinfacht dargestellten Art eine Stellgröße, hier beispielsweise als Pulsweitenmodulation
für einen
Elektrozylinder bereit zu stellen, der vorgesehen ist, um das Schluckvolumen
an der Pumpe entsprechend seiner Stellung zu ändern.
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Hier
kann es beispielsweise vorgesehen sein, zwecks Erfassung des Istwertes
des Schluckvolumens die Stellung des Elektrozylinders als Istwert
auszuwerten, beispielsweise dadurch, dass sie über ein Linearpotentiometer
erfasst und für
die Regelung verwendet wird.
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Hier
kann es vorgesehen sein, dass je nach gewünschter Fahrgeschwindigkeit
die Peakbreite des Pulsweitenmodulationssignals 17 für die Ansteuerung
des Elektrozylinders bzw. für
die Verstellung des Schluckvolumens der Verstellpumpe variiert wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass bei Abweichungen des Istschluckvolumens
vom Sollschluckvolumen unter einer vorgegebenen Stelle keinerlei
Korrektur durch den hier beschriebenen Regelkreis erfolgt. Weiterhin
kann es vorgesehen sein, dass bei Abweichungen oberhalb einer vorgegebenen
Schwelle eine Korrektur des Schluckvolumens mit einer hohen, insbesondere
der maximalen Geschwindigkeit des Elektrozylinders durch entsprechende
PWM-Ansteuerung
erfolgt und dass eine Korrektur bei Abweichungen zwischen den eingangs genannten
Schwellwerten mit einer zweiten Geschwindigkeit des Elektrozylinders
erfolgt, die geringer ist als diejenige, die bei großen Abweichungen zur
Regelung verwendet wird.
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Die
hier in der 3 dargestellte symbolisierte
Regelstrecke umfasst in der erfindungsgemäßen Regelung zumindest den
Elektrozylinder, die Verstellpumpe und gegebenenfalls eine Hebelvorrichtung,
mittels welcher der Elektrozylinder einen Drehzapfen an einer Verstellpumpe
verstellen kann.
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Die 4 zeigt
hier einen weiteren Regelkreis, der zur Lageregelung des Lenkaktors,
insbesondere Lenkzylinders vorgesehen sein kann. Diese hier symbolisierte
Regelung ist vorgesehen, um durch eine geeignete Ansteuerung des
Elektromotors einen Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder möglichst
schnell in die Lage zu bringen, die vom Fahrer durch das Lenkrad
unter Berücksichtigung wiederum
der Fahrsituation vorgegeben wird.
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Auch
hier kommt die Fahrsituation als Kriterium bzw. Eingangsgröße für die beschriebene
Regelung zum Tragen, da es vorgesehen sein kann, dass bei verschiedenen
Fahrsituationen, insbesondere verschiedenen Geschwindigkeiten des
Fahrzeugs, verschiedene Übersetzungskennlinien
zwischen Drehwinkelvorgabe am Lenkrad durch den Fahrer und der Stellweite
des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders erzielt werden sollen.
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Es
ist hier vorgesehen, aus der Fahrzeuggeschwindigkeit 11 in ähnlicher
Weise, wie es bei der 3 beschrieben wird, hier zunächst eine
von mehreren Fahrsituationen zu ermitteln, die hier anhand eines
funktionalen Zusammenhangs 12, wie er hier symbolisiert
dargestellt ist, gegeben sein kann. Auch hier ist in der 4 zwecks
Vereinfachung lediglich die Realisierung von zwei verschiedenen
Fahrzuständen
bebildert, es liegt jedoch selbstverständlich im Verständnis des Fachmannes,
dass hier eine beliebige Anzahl von Fahrzuständen vorgesehen sein kann.
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Je
nach gegebenem Fahrzustand 18 kann sodann aus einem gespeicherten
Kennfeld 19 eine betreffende Kennlinie 20 ausgewählt werden,
um die Stellung 21 des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders
mit einem korrespondierenden Lenkradwinkel 22 in Zusammenhang
zu bringen. Bei dem Winkel 22 handelt es sich um den Lenkradwinkel,
der unter Berücksichtigung
der aktuell gegebenen Fahrsituation der aktuellen Lenkaktor-, insbesondere
Lenkzylindereinstellung entspricht.
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Dieser
so gegebene Winkel 22 wird sodann verfahrensgemäß hier mit
dem Solllenkwinkel 23 verglichen, wie er vom Fahrer vorgegeben
wird. Der Regelkreis bildet aus diesen Größen eine Regelabweichung, die
als Eingangsgröße für beispielsweise
einen PD-Regler 24 dient, durch welchen die Rückwirkung
auf die Regelstrecke 25 erfolgt, insbesondere die bei der
hier dargestellten Regelung zumindest den Elektromotor, das Summiergetriebe,
die Verstellpumpe, wie beispielsweise eine Axialkolbenpumpe, die
hydraulischen Leitungen sowie den Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder
umfasst. Auch hier kann es vorgesehen sein, dass kleine Regelabweichungen nicht
berücksichtigt
werden und nicht zu einer Verstellung des Elektromotors führen, so
dass hierdurch auch eine Überlastung
der Motorsteuerung und unnötiger
Stromverbrauch verhindert wird.
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Der
Drehwinkel 23, wie er durch den Fahrer vorgegeben wird,
kann vorliegend beispielsweise durch einen Winkelsensor, einen Momentensensor oder
einen Winkelsensor in Kombination mit einer Drehfeder oder einem
Momentensensor gegeben sein. Wie in der 2 durch
den Drehwinkelsensor 7 symbolisiert, ist dieser Sensor
geeignet, die Drehwinkelvorgaben des Fahrers an eine übergeordnete Steuerung/Regelung
bereitzustellen, beispielsweise um die hier beschriebene Regelung
vorzunehmen.
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Die
in der 2 dargestellte Feststellbremse 9 kann
bevorzugt auch zum Einsatz kommen, um beispielsweise einen mechanischen
Endanschlag für das
Lenkrad zu realisieren. Ein üblicher
mechanischer Endanschlag, wie er bei herkömmlichen Lenkungen bekannt
ist, kann vorliegend nicht eingesetzt werden aufgrund der variablen Übersetzung
zwischen Lenkstange des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders 5 und
Lenkrad, so dass durch eine übergeordnete
Steuerung überwacht
werden muss, welcher aktuelle Endanschlag bei dem gegebenen Übersetzungsverhältnis berücksichtigt
werden muss. Es kann sodann vorgesehen sein, bei Erreichen einer berechneten
Endanschlagsposition das Lenkrad mit der hier gezeigten Feststellbremse 9 zu
arretieren. Eine Feststellbremse 9 kann jedoch grundsätzlich auch
bei sämtlichen
Ausführungsformen
in Entfall kommen.
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Für die Realisierung
der hier beispielsweise in der 2 gezeigten
Hydraulik bestehen viele Variationsmöglichkeiten. Zwingend ist es,
vorliegend eine Pumpe einzusetzen, um Hydraulikfluid zwischen den
Kammern des Lenkaktors, insbesondere Lenkzylinders hin- und herzupumpen.
Ergänzend
können weiterhin
hydraulische Speicher und Ventile eingesetzt werden, um eine hydraulische
Peripherie der Gesamtanordnung auszubilden.
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Wie
eingangs genannt, wird als hydraulische Pumpe vorzugsweise eine
hinsichtlich ihres Schluckvolumens verstellbare Pumpe eingesetzt,
wobei grundsätzlich
zur Realisierung der erfindungsgemäßen Aspekte in vereinfachter
Ausführung
auch nicht verstellbare Pumpen eingesetzt werden können. Beispielsweise
kann es sich um Kolbenpumpen, Zahnradpumpen, Flügelzellenpumpen oder sonstige
vergleichbare Pumpen handeln, wobei es als bevorzugt angesehen wird,
wenn die Pumpe reversierbar ist, d. h. sich je nach Drehrichtung
des Lenkrades Druck- und Saugseite der Pumpe vertauschen lassen.
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Bei
dem Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder kann es sich beispielsweise
um einen Gleichgangzylinder, einen Differentialzylinder oder sonstiges
handeln, wie beispielsweise auch einen hydraulischen Schwenkmotor.
Wie eingangs genannt, kann die weitere hydraulische Peripherie der
hydraulischen Pumpe Ventile und Speicher umfassen. So kann beispielsweise
eine Druckabsicherung des Systems und eine Vorspannung der jeweiligen
Saugseite der Pumpe mit einem Mindestdruck erzielt werden. Auch
können
hydraulische Teile vorgesehen sein, um Lecköl von der Pumpe wieder in den
geschlossenen Kreislauf zurückzufördern. Darüber hinaus
können Drucksensoren
in den Hydraulikleitungen eingesetzt werden, ebenso wie Rückschlagventile,
um Flussrichtungen zu definieren.
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Die 5 zeigt
hier eine bevorzugte Ausführungsform
der hydraulischen Peripherie, wie sie zwischen Verstellpumpe 4 und
Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder 5 angeordnet ist.
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Erkennbar
ist hier, dass bei einer Förderung von
Fluid durch die Pumpe 4 zum Ausgang 4a und somit
in Richtung zur Kammer 5a des Lenkaktors 5 in Abhängigkeit
vom aufgebauten Druck ein Sicherheitsventil 30a öffnet und
den Druck durch Aufladen eines Druckspeichers 31 begrenzt.
Dies gilt in gleicher Weise auch für die Förderung über den Ausgang 4b der
Pumpe mit dem Ventil 30b. Über die Rückschlagventile 32 kann
der Druck abgebaut werden bis auf ein Mindestmaß an Druck im Speicher 31, welcher
als Vorspannung an die jeweilige Saugseite der Verstellpumpe geschaltet
ist.
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Diese
Art der hydraulischen Verschaltung stellt lediglich ein mögliches
Beispiel dar.
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Bezüglich sämtlicher
Ausführungen
ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten
technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt
werden können
oder eingesetzt sind, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen.
Sämtliche
offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind
als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar
oder in Alleinstellung einsetzbar. Dabei wird in der gesamten Offenbarung
unter der Erwähnung,
dass ein Merkmal vorgesehen sein kann oder ein Verfahrenschritt
durchgeführt
werden kann auch eine Ausführung
der Erfindung verstanden, in der das betreffende Merkmal vorgesehen
ist bzw. ein betreffender Verfahrensschritt durchgeführt wird.