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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Lenksysteme und insbesondere ein Lenksystem für eine Nachlaufachse eines Fahrzeugs und ein entsprechendes Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Schwere Fahrzeuge - insbesondere Nutzfahrzeuge - verfügen über eine schlechte Manövrierbarkeit. Deshalb wird oft mehr als eine Achse lenkbar ausgeführt. Diese zusätzlichen Lenkachsen müssen nicht zwangsläufig mit dem Lenkrad mechanisch verbunden sein. Häufig sind diese zusätzlichen Lenkachsen als Nachlaufachsen ausgeführt, die im Folgenden auch als NLA bezeichnet werden. Dieses Prinzip funktioniert aber auch bei anderen Achstypen wie z.B. Vorlaufachsen etc.
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Die NLA kann dabei zwangsgelenkt oder adhäsionsgelenkt, d.h. durch die Rückstellbewegung der Räder selbst gelenkt sein. Diese zusätzliche NLA-Lenkung ermöglicht kleinere Kurvenradien, wodurch eine höhere Manövrierbarkeit erreicht wird. Zusätzlich reduziert sich der Schräglaufwinkel an den Reifen, wodurch der Reifenverschleiß des Fahrzeuges reduziert wird.
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Ein aktives Lenken der NLA ist jedoch nur bei niedrigen Geschwindigkeiten erwünscht. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ist kein Lenken der NLA erwünscht, da dies ein stabiles Fahren negativ beeinflusst. Die NLA muss ab einer bestimmten, vom Fahrzeug abhängigen Geschwindigkeit fixiert werden, um keinen instabilen Fahrzustand hervorzurufen.
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Stand der Technik ist, dass die NLA über einen Hydraulik-Zylinder angelenkt wird. Das Öl wird über eine Pumpe, die über den Verbrennungsmotor angetrieben wird, in die eine oder andere Zylinderkammer gepumpt, abhängig davon, wie die Ventile geschaltet sind. Neuerdings gibt es auch Fahrzeuge, bei der die Lenkungspumpe nicht über den Verbrennungsmotor angetrieben wird, sondern über einen Elektromotor. Da der Elektromotor in beide Richtungen gleichwertig antreibbar ist, kann mit einer reversierbaren Pumpe je nach Drehrichtung der eine oder der andere Zylinderraum beaufschlagt werden.
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Bei vorhandenen Lenksystemen besteht die Problematik, dass bei einer Systemstörung wie einem teilweisen oder vollständigen Ausfall von Komponenten auf Grund von Fehlern, oder bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, die Achse in Geradeausfahrstellung mit sehr viel Aufwand gehalten werden muss.
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So zeigt die deutsche Patentanmeldung
DE 103 51 482 A1 ein Lenksystem, bei dem eine hydraulische angelenkte Fahrzeughinterachse mit einer zusätzlichen Blockiervorrichtung in der aktuellen Stellung gehalten bzw. adhäsionsgelenkt in eine Mittenstellung zurückgelenkt und dann arretiert wird. Dies erfordert jedoch weitere Bauteile und ist somit teuer; zudem wird viel Bauraum benötigt. Bei vielen hydraulischen Lenksystemen ist die Pumpe zudem fest am Verbrennungsmotor angeflanscht, so dass diese immer betrieben wird. Deshalb würde gerade bei der Geradeausfahrt, in welcher sich das Fahrzeug lange Zeit befindet, die Hydraulikpumpe ständig angetrieben, obwohl dies nicht erforderlich ist. In diesem Betriebszustand erzeugt die Hydraulik Verluste, denen kein Mehrwert entgegen steht. Dies steht der Forderung nach einem niedrigeren Kraftstoffbedarf des Fahrzeugs entgegen.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2006 008 436 A1 zeigt eine mechanisch gekoppelte Mehrachslenkanlage, bei der nur dann eine Lenkkraft auf die zusätzliche Lenkachse aufgebracht wird, wenn diese auch aktiv - also beim Lenkeinschlag - benötigt wird. Jedoch ist dieses System für eine Hinterachslenkung, welche ab einem gewissen Geschwindigkeitsbereich in Geradeausfahrt gesperrt werden soll, nur mit sehr viel Aufwand realisierbar.
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In der deutschen Patentschrift
DE 4414161 C1 wird eine Mehrachslenkanlage beschrieben, in welcher ein Geberzylinder angesteuert wird. Je nach Stellung des Geberzylinders an der vorderen Achse reagiert der Nehmerzylinder an der hinteren Achse. Nachteilig an diesem System ist aber die direkte Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Geberzylinders. So besteht mit diesem System keine Möglichkeit einer geschwindigkeitsabhängigen Einflussnahme auf die hintere Achse.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Lenksystem für eine Nachlaufachse eines Fahrzeugs bereitzustellen, welches dessen aktuellen Fahrzustand möglichst umfassend berücksichtigt, das energieeffizient und zuverlässig arbeitet, und das einfach aufgebaut und kostengünstig zu realisieren ist.
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Unter einer Nachlaufachse soll im Folgenden jede Achse verstanden werden, die dem Ausschlag einer gelenkten Achse folgt, und die einer starren Hinter- oder Vorderachse nach- oder vorlaufend, also auch als Vorlaufachse angeordnet sein kann.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche, die in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Vorteile der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demnach ein Lenksystem für wenigstens eine Nachlaufachse eines Fahrzeugs, umfassend: einen Lenkwinkelsensor zum Detektieren eines Lenkwinkels von Laufrädern einer Vorderachse des Fahrzeugs; einen Fahrgeschwindigkeitssensor zum Detektieren einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs; einen elektrischen Motor zum Antreiben einer hydraulischen Pumpe, die wiederum mit wenigstens einem Arbeitszylinder zum Anlenken der Laufräder der Nachlaufachse verbunden ist; ein Steuergerät, das einerseits mit dem Lenkwinkelsensor und dem Fahrgeschwindigkeitssensor, und andererseits mit dem elektrischen Motor in Verbindung steht oder in Verbindung treten kann, und dazu ausgebildet ist, aus dem Lenkwinkel und der Fahrgeschwindigkeit einen Nachlaufwinkel von Laufrädern an der Nachlaufachse des Fahrzeugs zu bestimmen, und basierend auf diesem Nachlaufwinkel den Motor zu schalten, wobei der Arbeitszylinder einen Positionssensor zum Erfassen einer Mittenstellung von dessen Kolben aufweist, in welcher die Laufräder der Nachlaufachse in einer Geradeausfahrstellung stehen, und in Ansprechen auf die erfasste Mittenstellung des Kolbens ein Impulsventil aus einer Arbeitsstellung, in der ein Fluidfluss zwischen dem Arbeitszylinder und der Pumpe freigeben ist, in eine Grundstellung schaltbar ist, in der ein Fluidfluss zwischen dem Arbeitszylinder und der Pumpe unterbunden ist, so dass der Kolben hydraulisch in der Geradeausfahrstellung der Laufräder der Nachlaufachse blockiert ist.
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Damit steht zunächst ein elektrohydraulisches Lenksystem für eine Nachlaufachse zur Verfügung, bei dem das Lenkrad nicht mechanisch mit der zu lenkenden Achse verbunden ist, d.h. dessen Anlenken der Nachlaufachse unabhängig von dem der Vorderachse stattfinden kann. Zudem ist dieses Lenksystem vom Verbrennungsmotor entkoppelt, so dass eine bedarfsgerechte Regelung gewährleistet ist. Durch die wenigen Bauteile ist zugleich die Fehleranfälligkeit des Lenksystems minimiert und darüber hinaus eine hohe räumliche Flexibilität bei deren Verbau gegeben.
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Insbesondere ist durch den Einsatz eines Impulsventils lediglich eine einzige Steuerleitung notwendig, um ein Schalten zwischen dessen Stellungen zu bewirken. Denn die Umsteuerung eines Impulsventils findet durch einen Impuls wie z.B. ein elektrisches Signal statt. Das Ventil bleibt dann so lange in der geschalteten Stellung, bis ein erneuter Impuls das Ventil wieder umsteuert. Die Erzeugung des Impulses benötigt einen nur äußerst geringen Energieaufwand, und beide Ventilstellungen können ohne weiteren Energieaufwand gehalten werden.
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Mit diesem Lenksystem ist somit ein aktives Lenken abhängig vom Lenkwinkel der Laufräder der Vorderachse und von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs möglich. Die Räder der Nachlaufachse sind dabei auch bei einem vollständigen Ausfall der Pumpe jederzeit automatisch, d.h. adhäsionsgetrieben aus jedem Auslenkungswinkel in ihre Geradeausfahrstellung bringbar und dort auch zuverlässig blockierbar, ohne dass dafür eine aufwändige Elektronik und/oder Hydraulik notwendig wäre. Bei der adhäsionsgetriebenen Bewegung eines Kolbens in Richtung seiner Mittenstellung wird die Hydraulikflüssigkeit aus dem einen Zylinderraum des Arbeitszylinders abgegeben, während in den anderen Zylinderraum - ohne Pumpeneinsatz - Flüssigkeit nachgesaugt wird. Sobald die Mittenstellung des Kolbens von dem Positionssensor erfasst wird, schaltet das Impulsventil in seine Grundstellung, und eine weitere Bewegung des Kolbens ist durch die beidseitig eingesperrte Hydraulikflüssigkeit blockiert, so dass die Räder der Nachlaufachse sicher in ihrer Geradeausfahrstellung gehalten werden.
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Das Steuergerät des Lenksystems kann dazu ausgebildet sein, bei Überschreiten einer vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit das Impulsventil in seine Grundstellung zu schalten, und bei Unterschreiten der vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit das Impulsventil in seine Arbeitsstellung zu schalten. In Geradeausfahrt bei hoher Geschwindigkeit, also oberhalb der vorgebbaren Geschwindigkeit, ist damit die Nachlaufachse zuverlässig haltbar und deren Ansteuerung bei niedriger Geschwindigkeit, also unterhalb der vorgebbaren Geschwindigkeit, trotzdem möglich, was die Flexibilität, Sicherheit und Zuverlässigkeit des Lenksystems erhöht. Denn bei einem Ausfall der Pumpe bei niedrigen Geschwindigkeiten besteht dabei die Möglichkeit, dass die Nachlaufachse gedämpft, adhäsionsgelenkt in die Mittenstellung gefahren und dort gehalten wird. Auch bei einem vollständigen Ausfall der Pumpe bei hohen Geschwindigkeiten kann die Nachlaufachse in ihrer Mittenstellung gehalten werden, da das Impulsventil in seiner Grundstellung steht. Sowohl seine Arbeitsstellung als auch seine Grundstellung ist dabei ohne weiteren Energieaufwand haltbar.
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Das Steuergerät des Lenksystems kann zudem zum Erkennen von Störungen ausgebildet sein, und dazu, beim Vorliegen einer Störung und bei Geradeausfahrstellung der Laufräder der Nachlaufachse das Impulsventil in seine Grundstellung zu schalten. Bei Störungen, die nicht den Positionssensor und die Ansteuermöglichkeit des Impulsventils betreffen, kann das Lenksystem damit bei jeder Geschwindigkeit in einen sicheren Zustand überführt bzw. gehalten werden. Wenn das Impulsventil z.B. bei einer störungsfrei arbeitenden Pumpe, ausgelenkten Rädern der Nachlaufachse und niedriger Geschwindigkeit in seiner Arbeitsstellung steht, ist ein Fluidfluss zwischen Pumpe und Arbeitszylinder freigegeben, und der Kolben ist über die Pumpe bewegbar. Kommt es nun zu einer Störung, bei der keine Bewegung des Kolbens mittels der Pumpe mehr möglich ist, wird der Kolben unter adhäsionsgetriebener Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit in Richtung seiner Mittenstellung bewegt, in welcher die Räder der Nachlaufachse in Geradeausfahrstellung stehen. Das Erreichen dieser Mittenstellung wird durch den Positionssensor erfasst und in der Folge wird ein Impuls vom Steuergerät ausgelöst, der das Impulsventil in seine Grundstellung schaltet, die jeden weiteren Austausch von Hydraulikflüssigkeit am Arbeitszylinder unterbricht. Diese Grundstellung des Impulsventils wird auch gehalten, wenn das Fahrzeug trotz Ausfall der Pumpe in der Folge beschleunigen und ein hohe Fahrgeschwindigkeit aufnehmen sollte.
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Das Steuergerät des Lenksystems kann darüber hinaus dazu ausgebildet sein, bei Überschreiten einer vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit den elektrischen Motor zu aktivieren, so dass die Räder der Nachlaufachse in Geradeausfahrstellung gebracht werden, und nach Erreichen der Geradeausfahrstellung das Impulsventil zu schalten um die Nachlaufachse zu halten. Somit lässt sich ein stabilerer Fahrzustand realisieren, wenn das Fahrzeug mit höherer Geschwindigkeit fährt.
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Dabei kann das Steuergerät des Lenksystems des Weiteren dazu ausgebildet sein, bei Überschreiten einer vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit und einer Geradeausfahrstellung der Räder der Nachlaufachse den elektrischen Motor stromlos zu schalten und das Impulsventil in seine Grundstellung zu bringen. Die Nachlaufachse wird damit in ihrer Mittenstellung gehalten, so dass sich deren Laufräder in Geradeausfahrstellung befinden. Mit einem in dieser Stellung stromlos geschalteten elektrischen Motor und dem in seiner Grundstellung stehenden Impulsventil benötigt das Lenksystem keine weitere Leistungsaufnahme mehr, womit es ausgesprochen energieeffizient zu betreiben ist.
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Grundsätzlich kann der wenigstens eine Arbeitszylinder als einfach wirkender Zylinder ausgelegt sein, dessen Hydraulikleitung zu der Pumpe lediglich ein Steuerventil erfordert. Der wenigstens eine Arbeitszylinder kann aber auch als ein doppelwirkender Zylinder oder als eine doppelwirkende Kombination aus zwei einzelnen Zylindern ausgeführt sein, womit sich eine verbesserte Kraftübertragung ergibt, und zugleich ein räumlich flexibler Verbau möglich ist. Bei einem doppelwirkenden Zylinder wird dabei ein jeweiliges Steuerventil eingesetzt, um einen Austausch von Hydraulikflüssigkeit an jedem Zylinderraum zuzulassen oder zu unterbinden. Der Volumenausgleich unterschiedlicher Zylinderräume des wenigstens einen Zylinders erfolgt bevorzugt über eine Kombination aus einem 2-Druck-Ventil und einem Fluidtank. Aus diesem Fluidtank kann eine Hydraulikflüssigkeit nachgesaugt und gefördert werden, um einen entsprechenden Flüssigkeitsausgleich zu bewirken. Insbesondere dann, wenn der Kolben zurück in die Mittenstellung fährt, kann z.B. über Nachsaugventile Hydraulikflüssigkeit nachgesaugt werden bzw. Hydraulikflüssigkeit zurück in den Tank gefördert werden. Grundsätzlich können aber auch statt z.B. eines Differenzialzylinders zwei Zylinder mit identischen Volumen der Zylinderkammern verwendet werden, womit nicht notwendigerweise ein Fluidtank benötigt wird.
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In bevorzugter Weise ist die Pumpe als reversierbar betreibbare Pumpe oder als eine Kombination aus einer einsinnig betreibbaren Pumpe mit einem Ventilblock ausgeführt. Eine reversierbar betreibbare Pumpe stellt dabei die geringsten Anforderungen an den Platzbedarf des Lenksystems, während eine einsinnig betreibbare Pumpe einen einfacheren elektrischen Antrieb benötigt. Das Ventil kann grundsätzlich elektromagnetisch und/oder hydraulisch betätigbar sein, um eine hohe Ausfallsicherheit zu gewährleisten.
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Die vorstehende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Lenken von Laufrädern wenigstens einer Nachlaufachse eines Fahrzeugs gelöst, bei dem eine Fahrgeschwindigkeit und ein Lenkwinkel von Laufrädern einer Vorderachse des Fahrzeugs detektiert werden und daraus ein Nachlaufwinkel der Laufräder der Nachlaufachse bestimmt wird, wobei die Laufräder der Nachlaufachse über einen Arbeitszylinder angelenkt werden, der einen Positionssensor aufweist, welcher eine Mittenstellung von dessen Kolben erfasst, in welcher die Laufräder der Nachlaufachse in einer Geradeausfahrstellung stehen, und in Ansprechen auf diese Mittenstellung des Kolbens ein Impulsventil aus einer Arbeitsstellung, in der ein Fluidfluss zwischen dem Arbeitszylinder und der Pumpe freigeben ist, in eine Grundstellung geschaltet wird, in der ein Fluidfluss zwischen dem Arbeitszylinder und der Pumpe unterbunden ist, so dass der Kolben hydraulisch in der Geradeausfahrstellung der Laufräder der Nachlaufachse blockiert wird. Der Positionssensor kann dabei nicht nur notwendigerweise eine Mittenstellung, sondern jede Position des Kolbens erfassen, und es kann ein Steuergerät vorgesehen sein, dass mit dem Positionssensor in Verbindung steht oder mit diesem in Verbindung treten kann. Die Steuereinheit kann dabei so ausgebildet sein, dass sie unter Heranziehen des Sensorsignals eine Geradeausstellung der Räder der Nachlaufachse bewirkt, z.B. durch Aktivieren der Pumpe bei Überschreiten einer vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit, und durch Schalten des Impulsventils und damit Blockieren der Nachlaufachse, wenn der Kolben des Arbeitszylinders in seiner Mittenstellung steht, in welcher die Geradeausstellung der Räder der Nachlaufachse erreicht ist. Die Mittenstellung des Kolbens muss dabei nicht zwangsläufig seiner Mittenposition im Arbeitszylinder entsprechen.
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Damit steht zunächst ein elektrohydraulisch entkoppeltes Lenkverfahren für eine Nachlaufachse zur Verfügung, bei dem die Nachlaufachse unabhängig von der Vorderachse angelenkt werden kann. Dadurch wird eine jeweils auf die aktuelle Fahrsituation abgestimmte Anlenkung der Nachlaufachse möglich, die zudem Energiesparpotential eröffnet und hohe Zuverlässigkeit garantiert. Insbesondere ist eine einfache und zuverlässige automatische, d.h. adhäsionsgelenkte Rückführung der Räder einer Nachlaufachse in ihre Geradeausfahrstellung möglich, d.h. auch dann, wenn eine Störung der Pumpe oder des Motors vorliegt.
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Das Verfahren kann vorsehen, dass beim Überschreiten einer vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit das Impulsventil in seine Grundstellung geschaltet wird, und bei Unterschreiten der vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit das Impulsventil in seine Arbeitsstellung geschaltet wird. Damit ist in Geradeausfahrt bei hoher Geschwindigkeit, also oberhalb der vorgebbaren Geschwindigkeit die Nachlaufachse zuverlässig haltbar und deren Ansteuerung bei niedriger Geschwindigkeit, also unterhalb der vorgebbaren Geschwindigkeit trotzdem möglich, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Lenksystems erhöht. Zudem ist eine zuverlässige, adhäsionsgetriebene Rückführung der Laufräder einer Nachlaufachse aus jeder ausgelenkten Stellung und deren sicheres Halten in einer Geradeausfahrstellung ohne jeglichen Energieaufwand möglich.
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Das Verfahren kann zudem vorsehen, dass dann, wenn eine Störung erkannt wird und sich die Laufräder der Nachlaufachse in der Geradeausfahrstellung befinden, das Impulsventil in seine Grundstellung geschaltet wird. Liegt eine Störung vor, die nicht den Positionssensor und die Ansteuermöglichkeit des Impulsventils betrifft, kann das Lenksystem damit bei hoher wie auch bei niedriger Geschwindigkeit in einen sicheren Zustand überführt bzw. gehalten werden.
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Das Verfahren kann auch vorsehen, dass dann, wenn eine vorgebbare Fahrgeschwindigkeit überschritten wird, der elektrische Motor aktiviert wird, so dass die Räder der Nachlaufachse in die Geradeausfahrstellung gebracht und dort durch das Schalten des Impulsventils gehalten werden. Somit lässt sich ein stabilerer Fahrzustand realisieren, wenn das Fahrzeug mit höherer Geschwindigkeit als der vorgegebenen Geschwindigkeit fährt.
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Dabei kann das Verfahren auch vorsehen, dass dann, wenn eine vorgebbare Fahrgeschwindigkeit überschritten wird, und die Geradeausfahrstellung der Räder der Nachlaufachse erreicht ist, der elektrische Motor stromlos geschaltet und das Impulsventil in seine Grundstellung gebracht wird. Die Energieeffizienz eines entsprechenden Lenksystems steigt dadurch an, da bei hohen Geschwindigkeiten weder die adhäsionsgetriebene Rückführung der Räder der Nachlaufachse, noch deren Blockade in der Geradeausfahrstellung, noch der elektrische Motor eine Energiezufuhr erfordern.
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Auf Grund seiner besonders zuverlässigen und sicheren Arbeitsweise soll das erfindungsgemäße Lenksystem bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug Verwendung finden.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
- 1 ein Funktionsschaubild eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem, und
- 2 das Funktionsschaubild des erfindungsgemäßen Lenksystems der 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein Funktionsschaubild eines Fahrzeugs F mit einem erfindungsgemäßen Lenksystem L. Zum Detektieren eines Lenkwinkels α von Laufrädern Rv einer Vorderachse Av ist hier ein Lenkwinkelsensor Sα, und zum Detektieren einer Fahrgeschwindigkeit v ein Fahrgeschwindigkeitssensor Sv vorgesehen. Deren Signale werden über eine Signalleitung W1 einer Steuereinheit C übermittelt, die zum Ansteuern eines elektrischen Motors M und einer damit direkt betriebenen reversierbaren hydraulischen Pumpe P ausgebildet ist. Der Lenkwinkel α kann alternativ oder zusätzlich auch direkt am Lenkrad abgegriffen und über eine Signalleitung W2 an die Steuereinheit C übermittelt werden. Andererseits ist die Steuereinheit C über eine Signalleitung W3 mit einem Positionssensor Sp eines doppelwirkenden Zylinders Z verbunden, der die Laufräder Rn einer Nachlaufachse An des Fahrzeugs F in einen Nachlaufwinkel β bewegen kann.
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Das Lenksystem L wird nur dann durch den Motor M angetrieben, wenn eine aktive Lenkbewegung gefordert ist. Mit der reversierbar betreibbaren Pumpe P ist es möglich, einen Ölstrom in Richtung der einen oder anderen Seite des Zylinders Z zu pumpen. Der ausführende Zylinder Z ist hier ein doppelt wirkender Zylinder, der auch als Gleichlauf- oder Differzialzylinder ausgeführt sein kann. In Hydraulikleitungen X1, X2, welche die Pumpe P mit dem Arbeitszylinder Z verbinden, ist ein Impulsventil I angeordnet, das durch einen z.B. elektrischen Impuls zwischen einer geschlossenen Grundstellung N und einer geöffneten Arbeitsstellung A hin und her geschaltet werden kann. Das Impulsventil I bleibt so lange in der geschalteten Stellung, bis ein erneuter Impuls das Impulsventil I wieder umsteuert. Beide Ventilpositionen N, A können ohne weiteren Energiebedarf gehalten werden. In der Arbeitsstellung A des Impulsventils I gehen die Hydraulikleitungen X1, X2 eine Verbindung mit der Pumpe P ein, und eine Stellung des Kolbens K und damit ein Anlenken der Räder Rn der Nachlaufachse An ist mittels der Pumpe P möglich.
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Um zum einen den Energiebedarf auch bei Geradeausfahrt reduzieren zu können und zum anderen bei Systemausfall die Laufräder Rn der Nachlaufachse An in Geradeausfahrt (α=0, β=0) halten zu können, erfasst der Positionssensor Sp ständig die Stellung des Kolbens K. Ist die Stellung des Kolbens K in Geradeausfahrt erreicht, die hier auch als Mittenstellung G des Kolbens K bezeichnet wird, so kann z.B. das Steuergerät C das Impulsventil I in die Grundstellung N schalten. Durch dieses Schalten werden nun die Hydraulikleitungen X1, X2 zu den Zylinderräumen des Arbeitszylinders Z geschlossen. Der Kolben K kann dabei ohne weitere externe Energie gehalten werden.
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Die Steuereinheit C steht über eine Signalleitung W4 mit einer Ventilsteuerung D des Impulsventils I in Verbindung oder kann mit dieser in Verbindung treten, um abhängig von der Stellung des Kolbens K und damit dem Nachlaufwinkel β der Räder Rn, sowie abhängig von einem Fahrzustand des Fahrzeugs F, umfassend z.B. Lenkwinkel α, Fahrgeschwindigkeit v, Vorliegen eines Fehlerfalls u.A. das Impulsventil I von seiner Arbeitsstellung A in seine Grundstellung N zu schalten, und umgekehrt.
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Aufbauend auf der 1 sollen im Folgenden die einzelnen Betriebszustände des Lenksystems L anhand von 2 näher erläutert werden. Die 2 zeigt das Funktionsschaubild des Lenksystems L der 1 in größerem Maßstab.
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Fahrt mit hoher Fahrgeschwindigkeit
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Bei Fahrt mit hoher Geschwindigkeit kann der elektrische Motor M ausgeschaltet bleiben und die Achse An bleibt hydraulisch gehalten, da Impulsventil I in seiner Grundstellung N steht, und der Kolben K somit hydraulisch blockiert ist.
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Aktives Lenken bei niedriger Fahrgeschwindigkeit
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Bei aktivem Lenken wird der elektrische Motor M von dem Steuergerät C angesteuert und das Impulsventil I steht in der Arbeitsstellung A, d.h. es ist ein Fluidfluss zwischen Pumpe P und Arbeitszylinder Z möglich. Der Lenkeinschlag α der Laufräder Rv der Vorderachse Av oder der Lenkwinkel des Lenkrades wird messtechnisch detektiert und über die Signalleitung W1 bzw. W2 an das Steuergerät C weitergegeben. Mit diesen und weiteren Werten, z.B. der Fahrzeuggeschwindigkeit v wird die Sollauslenkung der Räder Rn an der Nachlaufachse An berechnet. Der Motor M, der wiederum mit der Pumpe P verbunden ist, welche das Öl durch die Hydraulikleitungen X1, X2 in den entsprechenden Zylinderraum fördert, wird von dem Steuergerät C angesteuert, wodurch eine Kolbenbewegung ausgelöst wird. Die Ansteuerung erfolgt über einen entsprechenden Regelalgorithmus bis der Sollwert an der Nachlaufachse An erreicht ist.
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Störung des Lenksystems
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Kommt es zu einem Ausfall des Lenksystems L, z.B. durch einen Fehler des elektrischen Motors M und damit der Pumpe P, und/oder des Lenkwinkel- und/oder Fahrgeschwindigkeitssensors Sα und Sv, und/oder der Signalleitungen W1, W2, wird der Motor M abgeschaltet und je nach Fehlerart und Fahrsituation das Impulsventil I z.B. mittels einer elektro-magnetischen Ventilsteuerung D geschaltet, um das Halten der Nachlaufachse An in der Geradeausfahrstellung der Laufräder Rn wie folgt einzuleiten.
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Störung bei Fahrt mit hoher Fahrgeschwindigkeit
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Fällt das Lenksystem L bei Fahrt mit hoher Fahrgeschwindigkeit aus, so hat dies keine Auswirkungen. Das Impulsventil I ist in seine Grundstellung N geschaltet, so dass das Öl hydraulisch in den beiden Zylinderkammern eingeschlossen ist. Somit bleiben die Laufräder Rn der Nachlaufachse An in der Geradeausfahrstellung.
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Störung beim unterstützten Lenken bei niedriger Fahrgeschwindigkeit
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Erkennt das Lenksystem L einen Fehler während des unterstützten Lenkens, welcher nicht den Positionssensor Sp und die Ansteuermöglichkeit des Impulsventils I betrifft, so bleibt das Impulsventil I zunächst in der Arbeitsstellung A und der Motor M wird abgeschaltet. Sind die Räder Rn der Nachlaufachse An ausgelenkt, wirken die Achskräfte entsprechend dem Kurvenradius auf die Räder Rn, was auch als Adhäsionslenken bezeichnet wird. Wird das Fahrzeug F aus der Kurvenfahrt in eine Geradeausfahrt gebracht, versuchen die Achsrückstellkräfte die Lenkung in Richtung Geradeausfahrt zu bewegen. Diese Bewegung wird durch das sich in Arbeitsstellung A befindliche Impulsventil I ermöglicht, bis der Kolben K die Mittenstellung G erreicht, dann wird das Impulsventil I umgeschaltet. Ein Ausgleich des Hydrauliköls zwischen den beiden Zylinderräumen des Arbeitszylinders Z kann dabei über die inaktive Pumpe P erfolgen. Erfasst schließlich der Positionssensor Sp die Geradeausfahrstellung, so gibt das Steuergerät C einen Impuls auf das Impulsventil I, so dass dieses schaltet und das Hydrauliköl im Arbeitszylinder Z einsperrt und so eine Bewegung des Kolbens K verhindert. Betrifft der Fehler auch den Positionssensor Sp und/oder die Ventilsteuerung D so wird die Nachlaufachse An adhäsionsgelenkt.
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Natürlich sind auch andere konkrete technische Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lenksystems denkbar, die im Wissen und Können des Fachmanns stehen. Wichtig ist, dass die automatische mechanische Zurückführung der Nachlaufachse in ihre Mittenstellung im Fehlerfall gewährleistet ist. In der Summe entsteht damit ein Lenksystem, das einen aktuellen Fahrzustand eines Fahrzeugs umfassend berücksichtigt, das energieeffizient und zuverlässig arbeitet, und das einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Grundsätzlich ist ein solches Lenksystem darüber hinaus nicht nur auf die Führung von Nachlaufachsen, sondern auch auf andere gelenkte Hinterachsen, wie z.B. Vorlaufachsen anwendbar.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Arbeitsstellung des Impulsventils
- An
- Nachlaufachse
- Av
- Vorderachse
- C
- Steuergerät
- D
- Ventilsteuerung
- F
- Fahrzeug
- G
- Mittenstellung des Kolbens
- I
- Impulsventil
- K
- Kolben
- L
- Lenksystem
- M
- Motor
- N
- Grundstellung des Impulsventils
- P
- Pumpe
- Rn
- Laufräder der Nachlaufachse
- Rv
- Laufräder der Vorderachse
- Sp
- Positionssensor
- Sv
- Fahrgeschwindigkeitssensor
- Sα
- Lenkwinkelsensor
- v
- Geschwindigkeit des Fahrzeugs
- W1, W2, W3, W4
- Signalleitung
- X1, X2
- Hydraulikleitungen
- Z
- Arbeitszylinder
- α
- Lenkwinkel
- β
- Nachlaufwinkel
