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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Servo-Lenkanlage für ein Kraftfahrzeug
mit geschlossener Mitte („closed
center"), mit einem
Servokolben-System,
das mechanisch mit einem einen Einschlagwinkel an den lenkbaren
Fahrzeug-Rädern hervorrufenden
Element, insbesondere einer Zahnstange oder dgl., verbunden ist,
wobei das in Abhängigkeit
vom Fahrer-Lenkwunsch einer der beiden Seiten des Servokolben-Systems
zuführbare
Hydraulikmedium aus einem Druckspeicher entnommen wird, der bedarfsgeregelt
nachbeladen wird. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf
die
DE 197 33 032
C1 verwiesen.
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An
den heute in Serie befindlichen Personenkraftwagen mit hydraulischer
Lenkunterstützung sind üblicherweise
sog. „Open-Center-Lenksysteme" mit einem lastfrei
offenen Lenkhilfe-Ventil, das bei nahezu konstantem Fördervolumen
druckgeregelt arbeitet, insbesondere wegen ihres guten Ansprech- und Rückmeldeverhaltens
eingesetzt. Bei diesen Open Center Lenksystemen (mit „offener
Mitte") wird das
Hydraulikmedium andauernd und insbesondere auch ohne Lenkeinschlag
in Lenkungs-Neutralstellung umgewälzt, wodurch nicht nur störende Geräusche entstehen,
sondern was insbesondere einen schlechten Gesamt-Wirkungsgrad (bezüglich des PKW-Antriebsaggregats,
welches kontinuierlich die Lenkhilfepumpe antreiben muss) verursacht.
Ungünstigerweise
erwärmt
ferner die daraus resultierende relativ hohe Verlustleitung das
Hydraulikmedium, so dass teilweise spezielle Kühlmaßnahmen vorzusehen sind. Diesen
Nachteilen stehen als besondere Vorteile eine günstige Systemdynamik sowie
die Übertragbarkeit
hoher Lenkleistungen gegenüber.
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Bekannt
sind ferner die sog. Closed-Center-Lenksysteme, bei denen eine Pumpe
das Hydraulikmedium bedarfsgeregelt in einen Druckspeicher pumpt,
wobei als Regelgröße ein in
diesem möglichst
konstanter Druck, üblicherweise
in der Größenordnung
von 100 bis 200 bar, dient. Naturgemäß ist der Wirkungsgrad einer
solchen Anlage erheblich besser, jedoch ergibt sich hier ein hoher
Bauaufwand im Lenkhilfe-Ventil und insbesondere auch ein problematisches,
sehr direktes und schwer kontrollierbares Ansprechverhalten der
Lenkung. Verbesserungswürdig
erscheint auch das Rückmeldeverhalten
solcher Closed-Center-Lenksysteme an den Fahrer bzw. in dessen Lenkhandhabe, üblicherweise
Lenkrad.
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Da
wegen des besseren Wirkungsgrads ein Closed-Center-Lenksystem, wie
es im Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1 als hydraulische
Servo-Lenkanlage mit geschlossener Mitte beschrieben ist, gegenüber den
Open-Center-Lenksystemen vorzuziehen ist, sollen hiermit Maßnahmen aufgezeigt
werden, mit Hilfe derer an einem Closed-Center-Lenksystem das Ansprechverhalten und
die Fahrbahn-Rückmeldung
an den Fahrer ähnlich
gut gestaltet werden können,
wie dies von den Open-Center-Lenksystemen her bekannt ist (= Aufgabe
der vorliegenden Erfindung).
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Beaufschlagung des
Servokolben-Systems der Lenkanlage ein von einer elektronischen
Steuereinheit angesteuertes Proportionalventil vorgesehen ist und
dass in einer die beiden Seiten des Servokolben-Systems miteinander
verbindenden Kurschluss-Leitung ein hinsichtlich seines Durchflussquerschnitts
veränderliches Drosselventil
vorgesehen ist, das von einer elektronischen Steuereinheit geeignet
angesteuert wird, um eine im wesentlichen stufenlose Zukopplung
oder Abkopplung des Servokolben-Systems (zur Lenkunterstützung) zu
ermöglichen.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Indem
ein gezielt ansteuerbares Proportionalventil vorgesehen wird, ist
es möglich,
das sog. Servokolben-System den jeweils vorliegenden aktuellen Randbedingungen
oder Wünschen
entsprechend wirksam werden zu lassen, wodurch insbesondere das
Ansprechverhalten der Lenkung in einer für den Fahrer angenehmen Weise
eingestellt werden kann. Weder muss hiermit eine zu „bissige" oder „giftige" Lenkung noch eine
zu träge
Lenkung in Kauf genommen werden, vielmehr kann ein optimales Reaktionsverhalten
umgesetzt werden. Um den Fahrer-Lenkwunsch zu diagnostizieren, kann
dabei vorrangig das an der Lenkspindel oder einem vergleichbaren
Bauelement abgegriffene Lenkmoment berücksichtigt werden. Weitere
Randbedingungen, die bei der Ansteuerung des besagten Proportionalventils
in einer geeigneten elektronischen Steuereinheit berücksichtigt
werden können
sind die Fzg.-Fahrgeschwindigkeit und/oder die vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit
und/oder der Lenkwinkel selbst und/oder die Fzg.-Giergeschwindigkeit
und/oder die Fzg.-Querbeschleunigung und/oder die an den Ausgängen des
genannten Proportionalventils anliegenden Druckverhältnisse
im Hydrauliksystem der Lenkanlage.
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Zur
Verbesserung des dem Fahrer übermittelten
Lenkgefühls,
was im wesentlichen einer verbesserten Fahrbahn-Rückmeldung
an den Fahrer entspricht, soll das Servokolben-System im wesentlichen
stufenlos an das den Lenkwinkel oder Einschlagwinkel an den lenkbaren
Rädern
hervorufendes Element (bspw. die Zahnstange) quasi ankuppelbar bzw.
abkuppelbar sein, d.h. die über
das Servokolben-System in die Lenkanlage einleitbare Unterstützungskraft
soll zwischen einem maximalen und minimalen Wert variiert werden
können,
und zwar auf besonders einfache und dabei weiterhin wirkungsgradgünstige Weise.
Hierfür
wird die sog. Kurzschlussleitung zwischen den beiden Seiten des
Servokolben-Systems mit dem in dieser Leitung vorgesehenen besagten
einstellbaren Drosselventil vorgeschlagen. Wenn dieses Drosselventil
vollständig
geschlossen ist, so erhält
man eine maximale Unterstützungskraft,
wohingegen bei vollständig geöffnetem Drosselventil
abhängig
von der Basisauslegung mehr oder weniger schnell ein Druckausgleich
im Servokolben-System erfolgt, so dass danach keine weitere Unterstützungskraft
mehr aufgebracht werden kann. Aus Gründen der Systemsicherheit wird dabei
vorgeschlagen, das Drosselventil, welches aufgrund der Ansteuerung
durch eine elektronische Steuereinheit bevorzugt elektrisch betätigt bzw.
verstellt wird, im stromlosen Zustand vollständig offen zu halten.
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Was
die Ansteuerung des genannten Drosselventils durch eine separate
oder die auch das Proportionalventil ansteuernde elektronische Steuereinheit
betrifft, so kann diese vorrangig den aktuellen Fahrzustand berücksichtigen,
der bspw. durch mehrere derjenigen Kenngrößen, die in Verbindung mit der
Ansteuerung des Proportionalventils bereits genannt wurden, beschrieben
werden kann. Darüber
hinaus kann in Verbindung mit der Ansteuerung des Drosselventils
(und somit der Zukopplung oder Abkopplung des Servokolben-Systems)
zumindest eine am mechanischen Teil der Lenkanlage ermittelte Kraft
berücksichtigt
werden. Gedacht ist hier bspw. an die Kräfte an der Zahnstange oder
an den Spurstangen der lenkbaren Räder, woraus bestmöglich abgeleitet
werden kann, wie intensiv die Lenkunterstützung im jeweils konkret vorliegenden
Betriebszustand sein sollte. Zugehörige entsprechende Kennlinien
oder Kennfelder zur Ansteuerung des besagten Drosselventils können hierfür in der
elektronischen Steuereinheit abgelegt sein.
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Die
beigefügte
Prinzipskizze zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung und zeigt lediglich prinzipiell dargestellt die wesentlichen
Elemente einer erfindungsgemäßen hydraulischen
Servo-Lenkanlage für
ein Kraftfahrzeug, wobei Hydraulikleitungen in einer dickeren oder
doppelten Strichstärke
und elektronische Übermittlungsleitungen
in einer dünneren,
einfachen Strickstärke dargestellt
sind.
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Mit
der Bezugsziffer 1 ist ein Proportionalventil („PV") bezeichnet, das über eine
Zuleitung 2 und eine Rücklaufleitung 3 mit
einem nicht dargestellten Mitteldruck-Hydrauliksystem des Kraftfahrzeugs verbunden
ist. Dieses Mitteldruck-Hydrauliksystem weist u.a. einen Druckspeicher
auf, aus dem eine jeweils benötigte
Teilmenge von Hydraulikmedium entnommen werden kann, und zwar hier
für die
Servo-Lenkanlage über
die Zuleitung 2. Im Druckspeicher liegt das Hydraulikmedium
mit einem Druck in der Größenordnung
von 100 bar bis 200 bar vor, wobei dieser Druck bedarfsgeregelt
mittels einer Pumpe aufrechterhalten wird.
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Vom
Proportionalventil 1 gehen Versorgungsleitungen 4a, 4b zu
den beiden Seiten eines Servokolben-Systems 5, das u.a.
einen Zylinder 5a aufweist, in dem längsverschiebbar ein Servo-Kolben 5b angeordnet
ist. Dieser Servo-Kolben 5b ist
mit einer Zahnstange 15 verbunden, die ebenso wie der Servo-Kolben 5b innerhalb
eines Gehäuses
eines Lenkgetriebes 11 gemäß Pfeilrichtung 13 längsverschiebbar
ist. Hier ist die Verzahnung der Zahnstange 15 nicht sichtbar,
da sich diese im nicht aufgebrochenen Abschnitt des Lenkgetriebe-Gehäuses 11 befindet.
Grundsätzlich
bildet hier somit der Servo-Kolben 5b zusammen mit der
Zahnstange 15 wie bei Zahnstangen-Lenksystemen üblich ein
Element, welches (über
zwischengeschaltete, nicht dargestellte Spurstangen) letztlich einen
Einschlagwinkel an den (ebenfalls nicht dargestellten) lenkbaren
Rädern
des Kraftfahrzeugs hervorruft.
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Angesteuert
wird das Lenkgetriebe 11 entsprechend dem Wunsch oder der
Vorgabe des Fzg.-Fahrers, der hierzu wie üblich ein Lenkrad betätigt, dessen
Drehbewegung über
eine Lenkspindel 12, an deren dem Lenkrad gegenüberliegenden Ende
ein mit der Zahnstange 15 des Lenkgetriebes, genauer mit
deren Verzahnung kämmendes
Ritzel vorgesehen ist, und über
eben dieses Ritzel auf die besagte Zahnstange 15 übertragen
wird. An der Lenkspindel 12 ist ein Drehmomentsensor 6 („TS") angeordnet, mit
Hilfe dessen das jeweilige Lenkmoment ermittelt werden kann. Dieses
wird einer elektronischen Steuereinheit 8 („μP") mitgeteilt. In
dieser elektronischen Steuereinheit 8 werden neben dem Lenkmoment
(„TS") weitere Eingangsgrößen 7 bzw. Randbedingungen 7 verarbeitet
bzw. berücksichtigt, so
bspw. (unter der Bezugsziffer 7 zusammengefasst) die Fzg.-Fahrgeschwindigkeit,
die Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit,
der Lenkwinkel, die Fzg.-Giergeschwindigkeit,
auf die Zahnstange 15 gemäß Pfeilrichtung 13 einwirkende
Kräfte,
sowie Signale von Drucksensoren 9 („p"), die den Druck in den Versorgungsleitungen 4a, 4b ermitteln.
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Das
Proportionalventil 1 wird von der elektronischen Steuereinheit 8 entsprechend
einem Lenkwunsch des Fahrers unter geeigneten Berücksichtigung
der anderen genannten Randbedingungen so angesteuert, dass Hydraulikmedium
aus dem genanten Mitteldruck-Hydrauliksystem entweder in eine in der
Figur links des Servo-Kolbens 5b liegende Kammer 5c des
Zylinders 5a oder in eine in der Figur rechts des Servo-Kolbens 5b liegende
Kammer 5d des Zylinders 5a gelangen kann, und
zwar in Abhängigkeit
von der vom Fahrer vorgegebenen Drehrichtung (Pfeil 16)
der Lenkspindel 12 bzw. des Lenkeinschlags. Baut nun das
Proportionalventil 1 bspw. in der linken Kammer 5c einen
(zusätzlichen)
Hydraulikdruck auf und gleichzeitig hiermit in der rechten Kammer 5d den
dort herrschenden Hydraulikdruck zumindest teilweise ab, so entsteht
hierdurch eine auf den Servo-Kolben 3 wirkende Kraft, die
diesen gemäß Pfeilrichtung 13a nach
rechts zu verschieben trachtet. Wenn nun das Proportionalventil 1 in
dieser beschriebenen Weise angesteuert wird, während der Fzg.-Fahrer über die
Lenkspindel 12 ein in der gleichen Richtung wirkendes Moment
in das Lenkgetriebe 11 einleitet, so dass die darin enthaltene
Zahnstange 15 ebenfalls gemäß Pfeilrichtung 13a nach rechts
verschoben wird, so wird diese Zahnstangen-Verschiebebewegung, die einen Einschlagwinkel
an den lenkbaren Fzg.-Rädern hervorruft,
durch das an die Zahnstange 15 angekoppelte Servokolben-System 5 unterstützt.
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Diese
beschriebene Lenkungs-Unterstützung
durch das Servokolben-System 5 soll
dabei in weitem Maße
hinsichtlich ihrer Intensität
veränderbar sein,
weshalb zwischen den beiden Versorgungsleitungen 4a und 4b eine
diese miteinander verbindende sog. Kurzschluss-Leitung 10 vorgesehen
ist. Diese Kurzschluss-Leitung 10 verbindet somit auch
die beiden Kammern 5c und 5d des Zylinders 5a bzw. die
beiden Seiten des Servo-Kolbens 5b oder allgemein die beiden
Seiten des Servokolben-Systems 5 hydraulisch miteinander.
In dieser Kurzschluss-Leitung 10 ist ein hinsichtlich seines
Durchflussquerschnitts veränderliches
Drosselventil 14 vorgesehen, das von einer geeigneten Stelleinheit 14a gezielt
eingestellt werden kann.
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Ist
dieses Drosselventil 14 vollständig geschlossen, so wird bei
Versorgung des Servokolben-Systems 5 mit Hydraulikmedium
durch das Proportionalventil 1 in Abhängigkeit von der Richtung des
jeweils gewünschten
Lenkeinschlags Hydraulikmedium aus der Zuleitung 2 vollständig in
die jeweilige Kammer 5c bzw. 5d des Zylinders 5 gefördert. Dann
stellt sich – wie
im vorhergehenden Absatz geschildert – eine maximale Servo-Unterstützung ein. Ist
hingegen das Drosselventil 14 vollständig geöffnet, so wird nahezu kein
Hydraulikmedium in die jeweilige Kammer 5c bzw. 5d des
Zylinders gelangen, sondern es gelangt das Hydraulikmedium quasi
im kleinen Kurzschlusskreislauf im wesentlichen vollständig zurück zum Proportionalventil 1 und über dieses
in die Rücklaufleitung 3,
so dass praktisch kein Druckaufbau bzw. Druckabbau in den Kammern 5c bzw.
5d des Zylinders 10 stattfindet und folglich keine Servounterstützung bei
einem vom Fahrer initiierten Lenkeinschlag erfolgt. Während der
letztgenannte Zustand bspw. bei einer Autobahnfahrt mit hoher Geschwindigkeit
vorliegt, wobei der Fzg.-Fahrer
vorteilhafterweise eine optimale Lenkungs-Rückmeldung erhält, kann
der erstgenannte Zustand bspw. für
das Parkieren des Fahrzeugs eingestellt werden.
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Über eine
Variation des Durchflussquerschnittes des in der Kurzschluss-Leitung 10 vorgesehenen
Drosselventils 14 kann somit eine praktisch stufenlose
Variation der Servo-Unterstützung
durch das Servokolben-System 5 vorgenommen werden, so dass
eine im wesentlichen stufenlose Zukopplung oder Abkopplung der Momentenunterstützung bei
einem Lenkvorgang möglich
ist. Um dabei nicht nur das Proportionalventil 1, sondern
auch das Drosselventil 14 bzw. dessen Stelleinheit 14a geeignet
ansteuern zu können,
verarbeitet das diese Ansteuerung übernehmende elektronische Steuergerät 8 die weiter
oben bereits genannten Informationen, nämlich über das Lenkmoment („TS"), über die Fzg.-Fahrgeschwindigkeit,
die Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit,
den Lenkwinkel, die Fzg.-Giergeschwindigkeit, auf die Zahnstange 15 gemäß Pfeilrichtung 13 einwirkende
Kräfte,
sowie Signale von Drucksensoren 9 („p"), die den Druck in den Versorgungsleitungen 4a, 4b ermitteln.
Durch die elektronische Steuereinheit 8 angesteuert wird
das steuerbare Drosselventil 14 somit je nach Fahrzustand
und Eingangsgrößen im Sinne
einer mehr „rückmeldungsorientierten" oder einer mehr „unterstützungsorientierten" Lenkhilfe. Durch
Teilöffnen des
Drosselventils 14 kann das Ansprechverhalten der Lenkanlage
durch Druckreduzierung auf der druckbeaufschlagten Seite des Servo-Kolbens 5b optimiert
werden (weniger „giftig", Vermeidung von Überschwingern).
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Insgesamt
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Lenkanlage
aufgrund der Anwendung des Closed-Center-Prinzips durch einen günstigen
Wirkungsgrad bzw. geringen Energiebedarf aus, wobei gleichzeitig
ein dem Fahrer angenehmes bzw. gewohntes Rückmeldegefühl erzielt werden kann. Die gute
Regelbarkeit und hohe Systemdynamik ohne Überschwinger sowie die Möglichkeit
der Aufnahme von Zusatzfunktionen (bspw. aktiver Lenkungsrücklauf)
ermöglichen
auch eine Verwendung in zukünftigen
oder by-wireähnlichen
Lenksystemen, wobei durchaus eine Vielzahl von Details abweichend
von obigen Ausführungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.