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Die
Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der Patentschrift
DE
4101810 A1 ist eine Lenkung mit einer elektromechanischen
Lenkkraftunterstützung
bekannt. Die Lenkung weist ein Lenkrad, eine Lenksäule, ein
Lenkgetriebe, einen elektrischen Servomotor samt Motorelektronik
und alle weiteren Teile, die zur Übertragung des Lenkmomentes
vom Lenkrad auf die gelenkten Räder
erforderlich sind auf. Der Servomotor, der ein unterstützendes
Drehmoment am Lenkrad erzeugt ist im Fahrgastraum positioniert.
Ein Antriebsritzel des Servomotors kämmt mit einem im Lenkrad integrierten
Zahnkranz.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Lenkungsvorrichtung mit einem Servomotor darzustellen, die eine
kompakte Bauform ermöglicht
und wenig Bauraum in Anspruch nimmt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Lenkungsvorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lenkungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge
zeichnet sich durch eine konzentrisch Anordnung des Servomotors
zur Eingangswelle und eine kraft- und/oder formschlüssig Verbindung eines
Läufers
des Servomotors mit der Eingangswelle aus. Die Bauteile des Motors
umschließen
die Eingangswelle und sofern vorhanden weitere konzentrisch in und/oder
außerhalb
der Eingangswelle angeordnete Wellen. Der Läufer des Servomotors ist kraft- und/oder
formschlüssig
mit der Eingangswelle verbunden. Der Läufer überträgt ein Drehmoment über eine
formschlüssige
Verbindung z.B. über
eine Passfeder, eine Verzahnung und/oder über eine reibschlüssige Verbindung
wie z.B. ein Presssitz direkt auf die Eingangswelle. Damit lässt sich
auf zusätzliche
Elemente zur Kraftübertragung
wie z.B. Zahnräder
verzichten und der Servomotor ist in einem sehr kleinen Bauraum
unterzubringen. Unter einem Servomotor ist ein Stellmotor zu verstehen,
der über
einen elektrischen- oder hydraulischen, gegebenenfalls auch pneumatische
Antriebe verfügt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung steuert ein Steuergerät den Servomotor
in Abhängigkeit
von mindestens einem der Parameter wie Giergeschwindigkeit, Raddrehzahl,
Querbeschleunigung, Lenk-, Verzögerungs-
und Antriebsmomentenwunsch des Fahrers an. Das Steuergerät verarbeitet die
von Sensoren erfassten Daten und berechnet, ob und in welcher Höhe eine
Unterstützung
des Fahrers beim Lenken erforderlich ist. Bei Lenkmanövern, die beispielsweise
ein Ausbrechen des Fahrzeuges verhindern sollen, erhält der Fahrer
eine aktive Lenkungsunterstützung.
In vielen Kraftfahrzeugen sind die den Fahrzustand charakterisierenden
Daten aus anderen Regelsystemanwendungen wie z.B. ESP oder ABS ohnehin
vorhanden und in vorteilhafter Weise für die Lenkungsunterstützung nutzbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gehäuse des Servomotors an einem
Gehäuse des
Lenkgetriebes befestigt. Zur Erleichterung der Montage der Lenkungsvorrichtung
im Fahrzeug ist das Gehäuse
des Lenkgetriebes und das Gehäuse des
Elektromotors eine vorfertigbare Montageeinheit. Zu diesem Zwecke
ist das Gehäuse
des Servomotors mit dem Gehäuse
des Lenkgetriebes vorzugsweise verschraubt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Lenkvorrichtung einen
elektrischen Servomotor und eine hydraulische Lenkhilfsvorrichtung auf.
Der elektrische Servomotor umfasst einen Läufer, einen Resolver zur Bestimmung
des Drehwinkels des Läufers,
einen Stator und ein Gehäuse.
Die hydraulische Lenkhilfsvorrichtung arbeitet ausschließlich lastabhängig. Ein
Verdrehwinkel eines Drehstabes gibt die Höhe der Lenkungsunterstützungskraft vor.
Der elektrische Servomotor arbeitet nach Vorgaben eines Steuergerätes.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist eine zu der Eingangswelle
konzentrisch angeordnete Steuerbuchse eines Lenkventils eine Öffnung auf,
durch die ein Formschlusselement greift, das die Eingangswelle und
den Läufer
des Elektromotors miteinander koppelt. Die Steuerbuchse ist konzentrisch
um die Eingangswelle und der Läufermotor
konzentrisch um die Steuerbuchse angeordnet. An der Steuerbuchse
sind Öffnungen
vorgesehen durch die ein Formschlusselement greift, das den Läufer und
die Eingangswelle miteinander verbindet. Das Formschlusselement
ist z.B. eine Passfeder oder ein Mitnehmerstift.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Mitnehmerelemente einstückig mit
der Eingangswelle ausgeführt.
Die Mitnehmerelemente sind Bestandteile der Eingangswelle, daher
sind keine zusätzlichen
Bauteile für
die Mitnehmerfunktion erforderlich.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung bildet das Gehäuse des
Elektromotors mit dem Lenkventilgehäuse eine Baueinheit.
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Die
Teile des Lenkventils und die des Servomotors sind in einem einteiligen
Gehäuse
angeordnet. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Bauteile. Ferner
ist die Baueinheit Lenkventil mit Servomotor als eigenständige Komponente
vorfertigbar.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
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1 schematisierte Gesamtdarstellung
einer Fahrzeuglenkung mit Servomotor
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2 vereinfachter Längsschnitt
durch eine Servomotor/Ventileinheit
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3 Querschnitt durch ein
Servomotor mit Wellen Gleiche Bauteile in den 1 bis 3 sind
im folgenden mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Lenkungsanordnung
eines nicht näher
beschriebenen Kraftfahrzeuges. Eine Lenksäule 2 überträgt das von einem
Fahrer auf ein Lenkrad 1 ausgeübte Lenkmoment auf eine Eingangswelle 3 eines
Lenkgetriebes 16.
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Das
Lenkgetriebe 16 weist ein Gehäuse auf, dem ein Ritzel 8 und
eine Zahnstange 9 zugeordnet ist. Das Ritzel 8 steht
einerseits in Wirkverbindung mit der Eingangswelle 3 und
andererseits im Eingriff mit der Zahnstange 9. Diese Anordnung
setzt die Drehbewegung der Eingangswelle 3 bzw. des Ritzels 8 in
eine Schiebebewegung der Zahnstange 9 um. Die Zahnstange 9 steht über eine
linke und rechte Spurstange 7 mit den Vorderrädern 6 in
Verbindung. Je nach Bewegungsrichtung der Zahnstange 9 lenken
die Vorderräder 6 nach
links oder rechts. Im Lenkgetriebe 16 ist des weiteren
ein doppelseitiges Kolben-Zylinderaggregat 10 angeordnet,
das mit der Zahnstange 9 gekoppelt ist. In Abhängigkeit
des Lenkwellenmomentes und der Drehrichtung des Lenkrades 1 ist
entweder die rechte oder die linke Kolbenseite zur Lenkungsunterstützung mit
Druck beaufschlagt. Ein Lenkventil 4 steuert den erforderlichen Öldruck.
Neben der schematischen Darstellung des Lenkventils 4 ist
in der 1 zum besseren
Verständnis
der Funktion über
einen Pfeil auf das symbolische Blockschaltbild des Lenkventils 4 verwiesen.
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Eine
mechanisch oder elektrisch angetriebene Lenkhelfpumpe 12 erzeugt
einen für
die Lenkungsunterstützung
erforderlichen Öldruck.
Die Lenkhelfpumpe 12 fördert Öl aus einem
Tank 11 über eine
Zulaufleitung und ein Rückschlagventil 13 zu dem
Lenkventil 4 und von dort über Druckleitungen 15 zu
dem Lenkgetriebe 16. Über
eine Rücklaufleitung
gelangt abgeregeltes Öl
zurück
in den Tank 11. In einer modifizierten Ausführungsform
ist in dem Ölkreislauf
ein Druckspeicher 14 angeordnet. Für den Fall, dass die Funktion
der Lenkhelfpumpe 12 ausfällt, bleibt in diesem Fall
die Lenkungsunterstützung noch
eine gewisse Zeit erhalten.
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Das
Lenkventil 4 steuert den im Kolbenraum des Lenkgetriebes 16 anstehenden Öldruck in
Abhängigkeit
des Lenkmomentes.
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2 zeigt in einem Schnitt
den Prinzipaufbau durch das Lenkventil 4, einen Servomotor 5 und das
Lenkgetriebe 16. Ein in einem Lenkventilgehäuse 23 angeordneter
Drehstab 26 ist einerseits fest mit der Eingangswelle 3 und
andererseits mit dem Ritzel 8 des Lenkgetriebes 16 verbunden.
Der Drehstab 26 tordiert sich unter Last, aufgrund dieser
Torsion verdreht sich die Eingangswelle 3 gegenüber einer
mit dem Ritzel 8 verbundenen Steuerbuchse 25.
In der Eingangswelle 3 angeordnete Nuten 24 verdrehen sich
gegenüber
Zulauföffnungen,
die in der Steuerbuchse 25 angeordnet und in der Zeichnung
nicht weiter dargestellt sind. Mit einer Veränderung des öldurchströmten Querschnittes
steuert damit das Lenkventil 4 den für die Lenkungsunterstützung erforderlichen
Druck.
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Zwischen
dem Lenkgetriebe 16 und dem Lenkventil 4 ist der
Servomotor 5 angeordnet. Der Servomotor 5 weist
die Bauteile Stator 21, Läufer 28 und Resolver 29 auf,
die in einem mit dem Lenkventil 4 gemeinsamen Gehäuse 23 angeordnet
sind. Das Gehäuse 23 ist
durch einen angeschraubten Deckel 20 verschlossen. Über den
Deckel 20 ist wiederum die Servomotor/Lenkventil Baueinheit
mit dem Lenkgetriebe 16 verschraubt. Drehfest mit dem Gehäuse 23 ist
der Stator 21 und der Resolver 29 verbunden. Der
Stator 21 induziert ein magnetisches Feld, das den Läufer 28 in
Rotation versetzt. Der Resolver 29 erfasst den Positions-Istwert
des Läufers,
den ein Steuerrechner mit einem Sollwert vergleicht.
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Wie
in 3 gezeigt weist der
Läufer 28 am Innendurchmesser
Aussparungen 31 auf, in die die an der Eingangswelle 3 angeordnete
Mitnehmerelemente 27 eingreifen. Die Steuerbuchse 25 ist
konzentrisch zur Eingangswelle 3 angeordnet, die Mitnehmerelement 27 greifen
durch in der Steuerbuchse 25 angeordnete Öffnungen 22.
Diese Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass eine von dem Servomotor 5 aufgebrachte
Unterstützungskraft
direkt auf die mit dem Lenkrad in Verbindung stehende Eingangswelle 3 wirkt,
ohne dass über
die Verdrehung des Torsionsstabes 26 ein Rückwirkung
der hydraulischen Lenkkraftunterstützung erfolgt.
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Der
Fahrer erhält
bei großen
Lenkmomenten wie z.B. bei Parkiervorgängen eine große Lenkungsunterstützung, hingegen
bei kleinen Lenkmomenten wie z.B. bei leichter Kurvenfahrt ist die
Lenkkraftunterstützung
gering. Diese lastabhängige
Steuerung vermittelt dem Fahrer einen guten Kontakt zur Strasse
bei Lenkradstellungen um die Mittellage. Der Servomotor 5 unterstützt den
Fahrer bei Lenkmanövern, die
z.B. ein Ausbrechen des Fahrzeuges verhindern sollen. Der Fahrer
kann damit schneller eine Lenkkorrektur vornehmen. Das Unterstützungsmoment des
Servomotors 5 ist vorzugsweise auf 5 Nm begrenzt. Weicht
die Lenkungsunterstützung
des Servomotors 5 vom Fahrerwunsch ab, so besteht für den Fahrer
aufgrund der Höhe
des Unterstützungsmomentes
die Möglichkeit,
den Servomotor zu überdrucken.
Um den Fahrer nicht zu entmündigen
ist das Ziel kurzzeitig in kritischen Situationen Unterstützung zu
leisten. Daher steht das Unterstützungsmoment nur
zeitlich begrenzt an.
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Der
Servomotor 5 ist in Abhängigkeit
von den Fahrzustand des Fahrzeuges kennzeichnenden Parametern angesteuert.
Ein in 1 dargestelltes Steuergerät 17 verarbeitet
von Sensoren erfasste Informationen wie z.B. Giergeschwindigkeit,
Raddrehzahl und Querbeschleunigung und den Lenk-, Verzögerungs-
und Antriebsmomentenwunsch des Fahrers, welche durch Lenkwinkel,
Bremsdruck und Gaspedalstellung gekennzeichnet sind. Das Steuergerät 17 berechnet
den aktuellen Fahrzustand und entscheidet in welcher Höhe eine
Lenkungsunterstützung
für den
Fahrer erforderlich ist. In vorteilhafter Weise ist die Steuerfunktionalität für die elektrischen Lenkungsunterstützung in
einem ESP Steuergerät mit
integriert. Da beide Systeme Fahrdynamikunterstützung leisten und die Berechnungen
im wesentlichen auf denselben Eingangsdaten beruhen ist es aufgrund
von Teile und Kostenreduzierung vorteilhaft, die Ansteuerung für die Lenkungsunterstützung und
ESP in einem gemeinsamen Steuergerät 17 zu integrieren.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist das erläuterte
Lenksystem mit einer die Hydraulik betreffende geschwindigkeitsabhängigen Lenkungsunterstützung ausgeführt. Durch
Reduktion der hydraulische Lenkungsunterstützung bei hohen Geschwindigkeiten
ist das Lenkgefühl
des Fahrers verbessert.