DE10230309B4

DE10230309B4 - Vorrichtung für Kraftfahrzeuge für Lenkkraftüberwachung

Info

Publication number: DE10230309B4
Application number: DE2002130309
Authority: DE
Inventors: Hardy Dipl.-Ing. Mendler; Ralph Dipl.-Ing. Gerritzen (FH)
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: DE10230309A1

Abstract

Vorrichtung für Kraftfahrzeuge mit hydraulischer Servolenkung zur Überwachung von Lenkkräften an Bauteilen der Lenkanlage durch das Anbringen von Sensoren (8, 9, 10) an belastungsrelevanten Bauteilen der Lenkanlage und einer mit den Sensoren (8, 9, 10) verbundenen elektronischen Auswerteeinheit (11), welche zumindest die in der Lenkanlage auftretenden Kräfte erfasst, wobei mindestens eine Lenkachse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Sensor (8, 9, 10) an der wenigstens einen Lenkstange (4, 5) der Lenkanlage und/oder einer ggf. vorgesehenen, hiermit in Wirkverbindung stehenden Koppelstange (7) zur Messung der belastungsabhängigen elastischen Verformung dieser Bauteile (4, 5, 7) angeordnet ist, wobei die ermittelten Messgrößen einer elektronischen Auswerteeinheit (11) zugeführt und in dieser bauteilabhängig ausgewertet werden und beim Erreichen eines Schwellwertes der Überlastung für das betreffende Bauteil (4, 5, 7) ein akustisches und/oder optisches Signal zur Warnung des Fahrzeugführers und/oder ein Signal zur Schaltung eines in den Hydraulikkreislauf der Servolenkung des Kraftfahrzeuges eingebundenen Druckbegrenzungsventils (14)...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur intelligenten Lenkkraftüberwachung für Kraftfahrzeuge zum Schutz von Bauteilen der Lenkanlage vor Überlastung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ist bei allen, mit einem Lenkgestänge ausgerüsteten Kraftfahrzeugen anwendbar, eignet sich jedoch besonders zur Anwendung bei Lastkraftwagen, die mit zwei oder mehr Lenkachsen ausgerüstet sind.

Bei Kraftfahrzeugen mit zwei vorderen Lenkachsen wird eine synchrone Lenkbewegung durch eine beiderseitige Verbindung der Lenkgestänge der ersten und der zweiten Vorderachse mittels einer Koppelstange erreicht. Das Lenkgestänge mit den Koppelstangen wird so dimensioniert, dass es die Kräfte aus den möglichen Differenzen zwischen beiden Vorderachsen ausgleichen kann. Diese Kraftdifferenz ist dann am größten, wenn ein Reibwert μ₁ des einen Fahrzeuglenkrades besonders hoch und der Reibwert μ₂ des anderen Fahrzeuglenkrades nahe Null ist oder einer der beiden Fahrzeuglenkräder einer Fahrzeugseite gegen ein Hindernis stößt. Eine solche Situation tritt vorzugsweise beim Rangieren mit dem Kraftfahrzeug im Gelände auf. Das Lenkgestänge muss deshalb so stabil ausgebildet werden, dass es diese hohen Kräfte aufnehmen kann.

Aus der Patentschrift DE 196 50 475 C1 ist eine Servolenkanlage für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der das Lenkhandrad über einen Regler, ein motorisches Stellaggregat und ein Lenkgestänge mit den Fahrzeuglenkrädern in Verbindung steht. Der Regler ist eingangsseitig mit Kraft- bzw. Spannungssensoren verbunden, die an mindestens einem Radträger der Fahrzeuglenkräder angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Sensoren können die auf die Fahrzeuglenkräder von der Fahrbahn wirkenden Kräfte erfasst werden, noch bevor sie auf das Stellaggregat einwirken. So kann mit der Lenkeinrichtung eine hohe Regeldynamik erreicht werden.

Weiterhin ist aus der Patentschrift DE 39 22 528 C1 ein Verfahren zur Erkennung des querdynamischen Grenzbereiches der Bodenhaftung von den Rädern eines Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von den vorhandenen Fahrbahnbedingungen durch Messung des Lenkstockhebelmomentes und dem Vergleich dieses Momentes mit einem Sollwert bekannt. Dieses Lenkstockhebelmoment wird aus der Kraft im Lenkgestänge beispielsweise durch Dehnmessstreifen ermittelt, die an der gelenkten Achse angebracht werden. Das Erkennen des querdynamischen Grenzbereiches wird dem Fahrzeugführer akustisch und/oder optisch angezeigt. Er kann so seine Fahrweise den veränderten Bedingungen anpassen.

Aus der DE 199 34 160 A1 ist ein Hilfskraftlenksystem für Kraftfahrzeuge mit mindestens einem Lenkradaktuator, mindestens einem Lenkaktuator und einer Erfassungseinrichtung zur Bestimmung der auftretenden Kräfte bekannt. Die Erfassungseinrichtung wird gleichzeitig zur Befestigung des Lenkaktuatars am Karosserieaufbau verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Lenkachse eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer hohe Belastungen des Lenkgestänges erkennbar sind und beim Erreichen eines Schwellwertes dies dem Fahrzeugführer signalisiert wird und/oder eine solche Situation selbsttätig herbeigeführt wird, durch die sich die Belastung des Lenkgestänges nicht weiter erhöht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das Anbringen jeweils eines Sensors an einem belastungsrelevanten Glied des Lenkgestänges werden die tatsächlich auf diese Glieder einwirkenden Kräfte erfasst. Für jedes dieser Glieder wird ein Schwellwert ermittelt. Wenn bei einem dieser Glieder der Schwellwert erreicht worden ist, erkennt die Auswerteinheit diesen Zustand und kann dies dem Fahrzeugführer durch ein optisches und/oder akustisches Signal anzeigen. Der Fahrzeugführer kann daraufhin durch entsprechende Fahrbewegungen sein Kraftfahrzeug wieder aus der Situation der hohen Belastung herausmanövrieren.

Die Erfindung eignet sich insbesondere auch für Kraftfahrzeuge mit mindestens zwei lenkbaren Vorderachsen, da bei diesen Fahrzeugen bei unterschiedlichen Bodenhaftungen der Vorderräder große Belastungsunterschiede auftreten können. Die Erfindung sieht vor, durch die Dehnmessstreifen die Belastungen aller relevanten Bauteile des Lenkgestänges wie die vordere und hintere Lenkstange sowie die Koppelstange zu messen. Es kann aber in einer vereinfachten Form der Anwendung der Erfindung ausreichen, nur die Belastung der Koppelstange zu messen, weil die auf sie einwirkende Kraft Rückschlüsse auf die Belastungen der beiden Lenkstangen zulässt. Ebenso ist es möglich, nur die Belastungen der beiden Lenkstangen zu messen und aus der Differenz Rückschlüsse auf die Belastung der Koppelstange zu ziehen. Die elektronische Auswerteeinheit muss dann entsprechend programmiert werden. Die Erfindung ist auch bei Kraftfahrzeugen mit nur einer lenkbaren Vorderachse zum Schutz vor Überlastungen der Lenkstange, bzw. Spurstange anwendbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Anwendung der Erfindung wird eine Gewichts- und Kostenreduzierung des gesamten Lenksystems erreicht, da es bedarfsgerecht ausgelegt werden kann. Da eine unsachgemäße Behandlung der Lenkanlage durch den Fahrzeugführer ausgeschlossen wird, entstehen für den Hersteller geringere Gewährleistungskosten. Ein Fahrzeugmissbrauch kann im Bereich der Lenkanlage ausgeschlossen werden. Die Vorrichtung zur Lenkkraftüberwachung ist mit vorhandenen technischen Mitteln bei niedrigen Systemkosten realisierbar. Der Entwicklungsaufwand für eine solche Vorrichtung und ihre Anpassung an die verschiedenen LKW-Typen sind gering. Vorhandene Fahrzeuge können ohne Weiteres nachträglich mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet werden.

Die extremen Belastungen des Lenksystems treten relativ selten auf, können aber dann zur Beschädigung oder zum Ausfall der Lenkung führen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen
1 eine Seitenansicht des vorderen Teils Fahrzeugrahmens eines Lastkraftwagens mit dem prinzipiellen Aufbau einer Anlage mit zwei lenkbaren Vorderachsen,
2 eine schematische Darstellung der Verknüpfung der Einzelelemente der Überwachungsvorrichtung und
3 die Einbindung der elektronischen Auswerteeinheit in den Hydraulikkreislauf für die Servolenkung.
Am Fahrzeugrahmen 1 eines mit zwei lenkbaren Vorderachsen ausgerüsteten Lastkraftwagens befindet sich nach 1 das Lenkgetriebe 2. Am Lenkgetriebe 2 ist auf der linken Fahrzeugseite der Lenkstockhebel 3 schwenkbar angeordnet. An seinem unteren freien Ende ist der Lenkstockhebel 3 gelenkig mit der ersten Lenkstange 4 für das linke vordere Fahrzeuglenkrad 15 verbunden. Für das Lenken des dahinter befindlichen zweiten Fahrzeuglenkrades 16 ist eine zweite Lenkstange 5 vorgesehen. Diese Lenkstange 5 ist gelenkig mit einem Umlenkhebel 6 und dieser wiederum mit seinem anderen Ende ebenfalls gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen 1 verbunden. Der vordere Lenkstockhebel 3 und der hintere Umlenkhebel 6 sind jeweils zwischen ihren beiden Gelenken durch eine Koppelstange 7 verbunden. Außerdem greift am Umlenkhebel 6 zwischen den Anlenkpunkten der Koppelstange 7 und der Lenkstange 5 ein Hilfszylinder 8 gelenkig an, der sich am Fahrzeugrahmen 1 abstützt.
Auf der rechten Fahrzeugseite befindet sich ein gleichermaßen ausgebildetes Gestänge mit den beiden Fahrzeuglenkrädern spiegelbildlich zur beschriebenen linken Fahrzeugseite.
Die weiterhin zur Zweiachslenkanlage gehörenden gelenkten Achsen und die Radlenkhebel sind für die Erläuterung des konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung zur Lenkkraftüberwachung nicht von Bedeutung und werden aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellt.
Auf den beiden Lenkstangen 4, 5 und der Koppelstange 7 wird je ein als Dehnmessstreifen ausgebildeter Sensor 8, 9, 10 angebracht. Jeder dieser Sensoren 8, 9, 10 ist nach 2 mit einer Auswerteelektronik 11 verbunden. Es bietet sich an, als Auswerteelektronik 11 bei modern ausgerüsteten Fahrzeugen den vorhandenen zentralen Bordrechner des Fahrzeuges zu nutzen, oder bei Fahrzeugen ohne einen solchen zentralen Bordrechner eine entsprechende Zusatzelektronik einzusetzen. Die bei der Fahrbewegung des Kraftfahrzeuges auf die beiden Lenkstangen 4, 5 und die Koppelstange 7 einwirkenden Kräfte werden durch die Sensoren 8, 9, 10 als Zug- oder Druckkräfte erfasst und an als elektrische Größen an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Für jedes dieser Lenkglieder ist ein Schwellwert festgelegt. Dieser Schwellwert ist die maximal zulässige Kraft, die jeweils auf die beiden Lenkstangen 4, 5 und die Koppelstange 7 einwirken darf. Er wird bei dem Lastkraftwagen mit den beiden lenkbaren Vorderachsen vor allem in Extremsituationen wie beim Manövrieren im unebenen, unbefestigten Gelände, wenn der Reibwert μ₁ des einen Rades niedrig und der Reibwert μ₂ des anderen Rades hoch ist. Dabei kommt es bei der Koppelstange 7 und der Lenkstange 4 oder 5 des maximal belasteten Fahrzeuglenkrades 15 oder 16 zu sehr großen Kräften. Diese Kräfte können die betroffenen Bauteile schädigen, bzw. zum totalen Ausfall führen. Um das zu verhindern, ist es vorgesehen, dem Fahrzeugführer das Erreichen des Schwellwertes bei dem betreffenden Bauteil des Lenkgestänges durch ein akustisches und/oder optisches Warnsignal in der Fahrerkabine anzuzeigen. Diese Anzeige wird von der Auswerteelektronik 11 ausgelöst, die mit einem Summer 12 und/oder einer Warnlampe 13 in funktioneller Verbindung steht. Der Fahrzeugführer kann nach dem Wahrnehmen eines solchen Warnsignals in Abhängigkeit von der entstandenen Situation den Lastkraftwagen in einer schonenden Fahrweise wieder aus dem Bereich der erhöhten Belastung herausmanövrieren. In einer weiteren Ausbaustufe ist es vorgesehen, ein Druckbegrenzungsventil 14 in den Hydraulikkreislauf der Lenkanlage einzubinden, so dass beim Erreichen des Schwellwertes durch das Betätigen dieses Druckbegrenzungsventils 14 durch die Auswerteelektronik 11 eine Druckreduzierung und damit eine Schonung des gesamten Lenksystems herbeigeführt wird. Die Zeichnung nach 3 zeigt die Einbindung des Druckbegrenzungsventils 14 in das System der Servolenkung des Fahrzeuges. Die elektrische Verbindung der Auswerteelektronik 11 mit dem Druckbegrenzungsventil 14 ist in unterbrochener Linienführung dargestellt.
Die praktische Durchführbarkeit der Schutzvorrichtung bereitet keine Probleme, da Dehnmessstreifen als Sensoren 8, 9, 10 für die betreffenden Messbereiche zur Verfügung stehen und die Lenkstangen 4, 5 und die Koppelstange 7 ohne weiteres mit diesen Messelementen versehen werden können. Die Verwendung des zentralen Bordrechners als Auswerteelektronik 11 bietet sich an, da Lastkraftwagen im Allgemeinen damit ausgerüstet werden. Es ist lediglich eine Ergänzung der Software erforderlich, eventuell leichte Hardwareanpassung nötig. Als Druckbegrenzungsventil 14 kommt ein bekanntes Zwei-Wege-Schaltventil in Frage, dass in den hydraulischen Kreislauf der Servolenkung eingebunden wird. Es ist ein Nachrüsten vorhandener Lastkraftwagen mit der Vorrichtung zur Lenkkraftüberwachung möglich. Die Erfindung kann auch bei Lastkraftwagen mit nur einer Lenkachse angewendet werden.
Durch diese Vorrichtung ist es möglich, die gesamte Lenkanlage leichter auszuführen, da eine Überbelastung aller Bauteile durch diese Schutzvorrichtung verhindert wird. Die Kosten für das Lenksystem werden so verringert. Durch das Vermeiden von Kräftespitzen im Lenksystem wird die Lebensdauer der Bauteile erhöht. Eine unsachgemäße Führung des Fahrzeuges durch eine Überbeanspruchung der Lenkanlage ist nicht möglich.

1: Fahrzeugrahmen
2: Lenkgetriebe
3: Lenkstockhebel
4: Vordere Lenkstange
5: Hintere Lenkstange
6: Umlenkhebel
7: Koppelstange
8: Sensor
9: Sensor
10: Sensor
11: Elektronische Auswerteeinheit/zentraler Bordcomputer
12: Summer
13: Warnleuchte
14: Druckbegrenzungsventil
15: Vorderes Fahrzeuglenkrad
16: Hinteres Fahrzeuglenkrad

Claims

Vorrichtung für Kraftfahrzeuge mit hydraulischer Servolenkung zur Überwachung von Lenkkräften an Bauteilen der Lenkanlage durch das Anbringen von Sensoren (8, 9, 10) an belastungsrelevanten Bauteilen der Lenkanlage und einer mit den Sensoren (8, 9, 10) verbundenen elektronischen Auswerteeinheit (11), welche zumindest die in der Lenkanlage auftretenden Kräfte erfasst, wobei mindestens eine Lenkachse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Sensor (8, 9, 10) an der wenigstens einen Lenkstange (4, 5) der Lenkanlage und/oder einer ggf. vorgesehenen, hiermit in Wirkverbindung stehenden Koppelstange (7) zur Messung der belastungsabhängigen elastischen Verformung dieser Bauteile (4, 5, 7) angeordnet ist, wobei die ermittelten Messgrößen einer elektronischen Auswerteeinheit (11) zugeführt und in dieser bauteilabhängig ausgewertet werden und beim Erreichen eines Schwellwertes der Überlastung für das betreffende Bauteil (4, 5, 7) ein akustisches und/oder optisches Signal zur Warnung des Fahrzeugführers und/oder ein Signal zur Schaltung eines in den Hydraulikkreislauf der Servolenkung des Kraftfahrzeuges eingebundenen Druckbegrenzungsventils (14) ausgelöst wird, um eine Druckreduzierung im hydraulischen Kreislauf der Servolenkung zu erreichen.
Vorrichtung für Kraftfahrzeuge Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (8, 9, 10) Dehnmessstreifen sind.
Vorrichtung für Kraftfahrzeuge Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit (11) der zentrale Bordrechner des Fahrzeuges ist, oder eine entsprechende Zusatzelektronik.
Vorrichtung für Kraftfahrzeuge nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische Signal eine Sprachmeldung und oder Tonsignale über den Beeper der Kommunikationsschnittstelle des zentralen Bordrechners ist.
Vorrichtung für Kraftfahrzeuge nach den Ansprüchen 1 bis 4, dass an jeder der Lenkstangen (4, 5) ein Sensor (8, 9) angeordnet wird.
Vorrichtung für Kraftfahrzeuge nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftfahrzeug ein Lastkraftwagen vorgesehen ist.