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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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Die
in der Patentschrift
DE
195 41 749 C1 beschriebene Servolenkung weist ein Lenkgetriebe, ein
eine Steuerbuchse und einen Steuerschieber umfassendes Lenkventil,
das mit einem Elektromotor zusammenwirkt, auf. Das Lenkventil ist
zwischen dem Lenkgetriebe und dem Elektromotor angeordnet.
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Der
Stator des Elektromotors ist mit dem äußeren Ende der Eingangswelle
verbunden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
bezüglich
eines Bauraums optimierte Lenkungsvorrichtung darzustellen.
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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 Öffnung in
einer zur Eingangswelle konzentrisch angeordneten Steuerbuchse eines
Lenkventils aus, durch die ein Mitnehmerelement greift, das die
Eingangswelle und einen Läufer
eines Servomotors miteinander koppelt. Die Bauteile des Servomotors
umschließen die
konzentrisch zur Eingangswelle angeordnete Steuerbuchse. Der Läufer des
Servomotors ist über die
Mitnehmerelemente der Eingangswelle verbunden. Der Läufer überträgt ein Drehmoment über eine formschlüssige Verbindung
z.B. über
eine Passfeder, einen Mitnehmerstift oder eine Verzahnung 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. In der erfindungsgemäßen Lenkungsvorrichtung ist
der Servomotor zwischen dem Lenkgetriebe und den Nuten der Steuerbuchse bzw.
des Steuerschiebers positionierbar. Damit ist der Servomotor in
einem neben dem Lenkgetriebe angrenzenden Bereich anordenbar. Die
Bauraumverhältnisse
in unmittelbarer Nachbarschaft des Lenkgetriebes ermöglichen
bei vielen Fahrzeugen eine ausreichende radiale Dimensionierung
des Servomotors. Unter einem Servomotor ist ein Stellmotor zu verstehen,
der über
einen elektrischen- oder hydraulischen, gegebenenfalls auch pneumatischen
Antrieb 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 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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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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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. 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 überdrücken. 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.