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Die
Erfindung betrifft eine Nutzfahrzeuglenkung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Eine
derartige bei Lastkraftwagen oder Bussen zum Einsatz kommenden Lenkung
besitzt ein Lenkgetriebe, welches am Getriebeeingang eingeleitete,
vom Lenkrad ausgehende Lenkbewegungen auf einen am Getriebeausgang
vorgesehenen Lenkstockhebel überträgt. Vom
Lenkstockhebel wird die Bewegung auf den Achsschenkel oder die Spurstange
des Fahrzeugs übertragen.
Im Lenkgetriebe werden die Lenkbewegungen über eine im Getriebegehäuse drehbar
gelagerte Welle und einen durch die Wellendrehung infolge Gewindeeingriffs
entlang der Welle bewegbaren Kolben auf den Lenkstockhebel übertragen.
Ferner ist eine hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung vorgesehen,
welche durch gesteuerte Druckbeaufschlagung mittels einer Hydraulikflüssigkeit
die Kolbenbewegung im Lenkgetriebe unterstützt. Das genannte Lenkgetriebe
wird auch als Schraublenkgetriebe bezeichnet.
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Damit
die hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung
immer leistungsbereit ist, wird bei bekannten Nutzfahrzeuglenkungen
die Hydraulikflüssigkeit
ständig
durch eine Ventileinrichtung umgepumpt. Dabei wird eine Leistung
von ca. 1.000 W im Mittel ständig
verbraucht. Hieraus resultiert ein erhöhter Kraftstoffverbrauch, insbesondere
Dieselkraftstoffverbrauch von etwa 0,9 l/100 km.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Nutzfahrzeuglenkung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei welcher der Energieverbrauch für die Hilfskraftverstärkereinrichtung
erheblich verringert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Durch
die Erfindung wird eine zusätzliche Hilfskraftverstärkereinrichtung
in Form eines Elektromotors vorgesehen, dessen Drehmoment über ein ins
Langsame übersetzendes
Getriebe auf die Welle des Lenkgetriebes übertragen wird. Dabei wird
unterhalb einer bestimmten Maximalkraft (Kraftschwelle), welche
vom Lenkstockhebel auf die Lenkschubstange übertragen wird, nur das Drehmoment
des Elektromotors auf die Welle des Lenkgetriebes übertragen,
ohne dass dabei eine Druckbeaufschlagung mit der Hydraulikflüssigkeit
am Kolben stattfindet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die
hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung
unterhalb der Maximalkraftschwelle abgeschaltet bleibt. Bei Überschreiten
der Kraftschwelle der vom Lenkstockhebel übertragenen Kraft kann in vorteilhafter
Weise die gesteuerte Druckbeaufschlagung der Kolbenbewegung durch
die hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung
zugeschaltet werden. Dies kann durch Einschalten der hydraulischen
Hilfskraftverstärkereinrichtung erfolgen.
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Für diese
gesteuerte hydraulische Druckbeaufschlagung der Kolbenbewegung kann
eine elektrisch gesteuerte Ventileinrichtung für die Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit
zu den beidseits des Kolbens im Lenkgetriebe vorhandenen Druckräumen vorgesehen
sein. Die gesteuerte Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit kann dabei in Abhängigkeit
von einer Messung des Drehmoments, welches zwischen dem Lenkrad und
dem Eingang des Lenkgetriebes gemessen wird, erfolgen. Ferner kann
die Steuerung in Abhängigkeit von
der vom Lenkstockhebel übertragenen
Kraft erfolgen. Beispielsweise kann diese Kraft durch Messung des
vom Elektromotor gezogenen Motorstroms erfolgen. Außerdem kann
die elektrisch gesteuerte Hydraulik-Druckbeaufschlagung bei Unterschreitung einer
bestimmten Fahrgeschwindigkeit des Nutzfahrzeugs, beispielsweise
5 km/h zugeschaltet werden. Es ist jedoch auch möglich, eine Kombination aus diesen
Kriterien für
die Zuschaltung der elektrisch gesteuerten Hydraulik-Druckbeaufschlagung
zur Unterstützung
der Kolbenbewegung und zur fortlaufenden Steuerung auszuwerten.
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Bei
der Unterstützung
der Kolbenbewegung im Lenkgetriebe allein durch die elektromotorischen Hilfskraftverstärkereinrichtung
unterhalb der vom Lenkstockhebel übertragenen Kraftschwelle werden am
Lenkstockhebel bei normalen Fahrbetrieb im Mittel 20 W abgegeben.
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Mit
einem Elektromotor, welcher beispielsweise ein Drehmoment von 2
Nm, welches mittels eines Getriebes mit einer Übersetzung i = 50 auf die Welle
des Lenkgetriebes übertragen
wird, können
bei einer Lenkgetriebeübersetzung
1 : 22 und einer entsprechenden Lenkstockhebellänge Maximalkräfte von
8 kN an der Lenkschubstange, welche vom Lenkstock hebel betätigt wird,
erreicht werden. Damit sind praktisch alle normalerweise vorkommenden
Fahrsituationen abgedeckt. Wie oben schon erläutert, wird bei höheren Kräften die
elektrisch gesteuerte Hydraulik-Druckbeaufschlagung des Kolbens
im Lenkgetriebe zugeschaltet.
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Die
Kraftschwelle, bis zu welcher die elektromotorische Hilfskraftverstärkereinrichtung
allein ohne hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung betrieben wird,
hängt vom
Typ des Nutzfahrzeugs und dessen Einsatzgebiet und der entsprechenden
Dimensionierung des Lenkgetriebes, dessen Übersetzung und der Lenkstockhebellänge ab.
Mit Hilfe eines geeigneten Elektromotors und zugeordnetem Getriebe
kann ein breiter Bereich von Fahrsituationen abgedeckt werden. Selbst
bei einem Gesamtwirkungsgrad der sich hauptsächlich aus den Wirkungsgraden von
Generator, Motor und Getriebe zusammensetzt, ergibt sich bei einem
Energieverbrauch von brutto 200 W im Mittel eine Verringerung des
Energieverbrauchs um den Faktor 5 gegenüber einer herkömmlichen
hydraulischen Hilfskraftverstärkereinrichtung, bei
welcher die Hydraulikflüssigkeit
ständig
umgepumpt wird, um diese leistungsbereit zu halten.
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Bei
fehlerhaftem Betrieb oder Ausfall der elektromotorischen Hilfskraftverstärkereinrichtung kann
eine in herkömmlicher
Weise mechanisch gesteuerte Ventileinrichtung zur Unterstützung der
Kolbenbewegung vorgesehen sein. Diese beinhaltet einen Torsionsstab, über welchen
die Lenkbewegungen auf die Welle des Lenkgetriebes übertragen
wird. In Abhängigkeit
von der vom Lenkstockhebel übertragenen
Kraft tordiert der Torsionsstab und betätigt dabei eine Ventileinrichtung
mit beispielsweise schlitzförmigen
Ventilöffnungen.
Der Öffnungsquerschnitt
wird durch die Tordierung des Torsionsstabes eingestellt. Zur gesteuerten
Druckbeaufschlagung der Kolbenbewegung wird die Hydraulikflüssigkeit von
einer Hydraulikpumpe, welche an den Verbrennungsmotor angekuppelt
ist oder von einem Elektromotor angetrieben wird, ständig durch
die Ventileinrichtung umgepumpt.
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Weiterhin
kann der elektromechanische Antrieb zur Ausführung von Fahrerassistenzsystemen, wie
beispielsweise Seitenstörgrößenkompensation, herangezogen
werden.
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Weiterhin
kann die erfindungsgemäße Lenkung
auch bei Personenkraftwagen angewandt werden.
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Anhand
der Figur wird an einem Ausführungsbeispiel
die Erfindung noch näher
erläutert.
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Bei
einer in der Figur dargestellten Nutzfahrzeuglenkung, beispielsweise
für einen
Lastkraftwagen oder einen Omnibus, werden von einem Lenkrad 29 ausgehende
Lenkbewegungen in einen Getriebeeingang eines Lenkgetriebes 10 eingeleitet.
Ausgangsseitig werden die Lenkbewegungen auf einen an einer Segmentwelle 31 vorgesehenen
Lenkstockhebel 32 übertragen.
Vom Lenkstockhebel 32 wird die Lenkbewegung über eine
nicht näher
dargestellte Lenkschubstange auf einen Achsschenkel oder eine Spurstange
des Fahrzeugs übertragen.
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Im
Getriebegehäuse 12 ist
eine als Hohlwelle ausgebildete Welle 13 drehbar gelagert.
In einem Gewinde 15 der Welle 13 laufen Kugeln,
die in ein entsprechendes Gewinde an einer Kugelmutter, welche einen
bewegbaren Kolben 14 bildet, eingreifen. Im Hohlraum der
Welle 13 befindet sich ein Torsionsstab 24, welcher
mit seinem von der Eingangsseite des Lenkgetriebes 10 abgewandten
Stabende in einer Befestigungsstelle 26 mit der Welle 13 drehfest verbunden
ist. Am anderen Stabende wird die vom Lenkrad 29 ausgehende
Lenkbewegung über
einen Drehschieber einer Ventileinrichtung 11 in bekannter Weise übertragen.
Die von der eingeleiteten Lenkbewegung verursachten Drehung der
Welle 13 wird mittels der endlosen Kugelreihe im Gewinde 15 reibungsarm
auf den als Kugelmutter ausgebildeten Kolben 14 übertragen
und in eine Axialbewegung des Kolbens 14 umgewandelt. Am
Kolben 14 ist eine Verzahnung vorgesehen, welche in eine
Verzahnung der Segmentwelle 31 eingreift. Hierdurch wird
die Axialbewegung des Kolbens 14 in eine entsprechende Schwenkbewegung
der Segmentwelle umgesetzt. Durch die Schwenkbewegung der Segmentwelle 31 wird
am Ausgang des Lenkgetriebes 10, wie oben schon erläutert, die
entsprechende Lenkbewegung des Lenkstockhebels 32 bewirkt.
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Das
in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel
einer Nutzfahrzeuglenkung besitzt eine elektromechanische Hilfskraftverstärkereinrichtung
mit einem Elektromotor 17, dessen Drehmoment über ein
ins Langsame übersetzendes
Getriebe 18 unmittelbar auf die Welle 13 übertragen
wird. Der Elektromotor kann beispielsweise ein Ausgangsdrehmoment
von 2 Nm liefern. Das Getriebe besitzt eine relativ hohe Übersetzung
ins Langsame von beispielsweise i = 50. Auf diese Weise kann vom
Elektromotor auf die Welle 13 ein Drehmoment von 100 Nm
aufgebracht werden. In Abhängigkeit
von den Anforderungen an das Nutzfahrzeug kann ein Elektromotor 17 mit
hiervon abweichendem Drehmoment und ein Getriebe 18 mit
hiervon unterschiedlicher Übersetzung ins
Langsame gewählt
werden. Für
das Getriebe kann beispielsweise ein Harmonic-Getriebe verwendet
werden. Es kann jedoch auch ein anderes geeignetes Getriebe mit
entsprechender Übersetzung
zum Einsatz kommen. Ein Abtriebselement 25 des Getriebes 18 ist
drehfest mit der Welle 13 in der Nähe einer Befestigungsstelle 26 eines
Torsionsstabes 24, dessen Funktion noch erläutert wird,
verbunden.
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Mit
Hilfe einer derartigen elektromechanischen Hilfskraftverstärkereinrichtung
können
mit relativ niedrigem Energieverbrauch im wesentlichen alle im normalen
Fahrbetrieb des Nutzfahrzeugs vorkommenden Fahrsituationen abgedeckt
werden. Bei einer Übersetzung
im Lenkgetriebe 10 von 1 : 22 und einer entsprechenden
Lenkstockhebellänge
lässt sich
eine Maximalkraft von ca. 8 kN an der mit dem Lenkstockhebel 32 verbundenen
Lenkschubstange erreichen. Bei höheren
Kräften,
welche diese Kraftschwelle überschreiten,
kann in vorteilhafter Weise die hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 zugeschaltet
werden. Diese enthält
eine Hydraulikpumpe 30, welche über eine Kupplung 28 an
einen Verbrennungsmotor 27 (Dieselmotor) des Nutzfahrzeugs
angekuppelt werden kann. Für
die Hydraulikpumpe 30 kann jedoch auch ein elektrischer
Antrieb, welcher nicht näher
dargestellt ist, vorgesehen sein. Die Hydraulikpumpe 30 fördert aus
einem Hydraulikflüssigkeitsreservoir 33 im
Kreislauf Hydraulikflüssigkeit,
welche über
eine elektrisch gesteuerte Ventileinrichtung in beidseits des Kolbens 14 angeordnete Druckräume 34 und 35 geleitet
wird. Die dem Druckraum 34 zugeführte Hydraulikflüssigkeit
unterstützt eine
Kolbenbewegung nach links in der Figur und die dem Druckraum 35 zugeleitete
Hydraulikflüssigkeit unterstützt eine
Kolbenbewegung nach rechts in der Figur.
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Die
elektrisch gesteuerte Ventileinrichtung beinhaltet beispielsweise
ein Ventil oder mehrere Ventile. Das genannte Ventil oder die Ventile wird/werden
von einer elektrischen/elektronischen Steuereinrichtung 22 gesteuert.
Das in der Figur dargestellte Ventil 20 ist in der dargestellten
Stellung so geschaltet, dass die beiden Druckräume 34 und 35 kurzgeschlossen
sind, so dass ein druckloser Kreislauf zwischen den beiden Druckräumen 34 und 35 entsteht.
Die Hydraulikpumpe 30 ist außer Betrieb. Dies ist bei der
Erfindung der normale Fahrbetrieb.
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Beim Überschreiten
der Kraftschwelle z. B. beim Rangieren, wird die Hydraulikpumpe 30 an
den Verbrennungsmotor 27 über die Kupplung 28 angekuppelt
und das Ventil 20 aus der dargestellten Stellung in die
andere Stellung bewegt. Hierdurch wird für eine Kolbenbewe gung nach
links, welche von der eingeleiteten Lenkbewegung verursacht wird,
Hydraulikflüssigkeit
dem Druckraum 34 zur Unterstützung der Kolbenbewegung zugeleitet.
Aus dem Druckraum 35 wird Hydraulikflüssigkeit in das Reservoir 33 zurückgebracht.
Bei einer Lenkbewegung in entgegengesetzter Richtung wird die Hydraulikflüssigkeit
zur Unterstützung
der nach rechts gerichteten Kolbenbewegung in den Druckraum 35 eingebracht und
aus dem Druckraum 34 Hydraulikflüssigkeit in das Reservoir 33 zurückgeleitet.
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Die
hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 kann
einen zusätzlichen
Druckspeicher 21 für
Hydraulikflüssigkeit
mit einem Ventil 19 enthalten. Damit ist ein schneller
Aufbau der hydraulischen Hilfskraftlenkung sichergestellt.
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Der
Druckspeicher 21 muss, vor dem Abschalten der Hydraulikpumpe 30 durch
die Hydraulikpumpe 30, auf einen Mindestdruck gebracht
werden.
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Die
Zuschaltung und Steuerung der hydraulischen Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 erfolgt
beim dargestellten Ausführungsbeispiel
in Abhängigkeit von
einem Drehmomentsensor 23. Dieser erfasst die Betätigungskraft,
mit welcher vom Lenkrad 29 ausgehende Lenkbewegungen in
das Lenkgetriebe 10 eingeleitet werden. Der Drehmomentsensor 23 kann hierzu
am Eingang des Lenkgetriebes 10 vorgesehen sein. Es ist
jedoch auch möglich,
den Drehmomentsensor 23 an einer geeigneten anderen Stelle zwischen
dem Lenkrad 29 und dem Eingang des elektrischen Antriebes 17 vorzusehen.
Durch den Drehmomentsensor 23 kann ferner für den elektromechanischen
Antrieb die Lenkbewegung, welche vom Lenkrad 29 ausgeht,
erfasst und von der Steuereinrichtung 22 ausgewertet werden.
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Die
hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 wird
durch die Ventileinrichtung 11 im Betrag und in der Drehrichtung,
wie im Stand der Technik angesteuert.
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Als
Kriterium der Zuschaltung und Steuerung der hydraulischen Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 kann
ferner der vom Elektromotor 17 gezogene Motorstrom ausgewertet
werden. Ferner kann eine Fahrgeschwindigkeitsschwelle von z. B.
5 km/h festgelegt werden, unterhalb welcher die hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 zugeschaltet
und, wie beschrieben, gesteuert wird.
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Zur
Abdeckung der die Kraftschwelle übersteigenden
hohen Kräfte
kann eine Addition der aus der elektromotorischen Hilfskraftverstärkereinrichtung
und der hydraulischen Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 gewonnenen
Kräfte
durchgeführt
werden. In diesem Fall kann die Hydraulikpumpe 30 in der
Dimensionierung kleiner gehalten werden.
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Bei
einem fehlerhaften Betrieb oder Ausfall der elektromotorischen Hilfskraftverstärkereinrichtung,
welche den Elektromotor 17 und das Getriebe 18 aufweist,
kann auf mechanischem Wege eine Unterstützung der Bewegung des Kolbens 14 im
Getriebegehäuse 12 bei Überschreitung
der Kraftschwelle der vom Lenkstock 32 übertragenen Kraft wie bisher hydraulisch
veranlasst werden. Der fehlerhafte Betrieb oder Ausfall kann beispielsweise
von der Steuereinrichtung 22 erfasst und das Ventil 20 in
die in der Figur nicht dargestellte rechte Position gebracht werden.
Ferner wird die Hydraulikpumpe 30 über die Kupplung 28 an
den Verbrennungsmotor 27 angekuppelt und in Betrieb gesetzt.
Die Ventileinrichtung 11 besitzt schlitzförmige Ventilöffnungen 36 und 37, über welche
Hydraulikflüssigkeit
dem Druckraum 34 oder dem Druckraum 35 je nach
Drehrichtung der Lenkbewegung zugeleitet wird. Bei der Übertragung der
Lenkbewegungen auf die Welle 13 über den Torsionsstab 24 wird
dieser in Abhängigkeit
von den am Lenkstockhebel 32 wirkenden Gegenkräfte tordiert. Diese
Tordierung wird auf einen in der Ventilanordnung 11 vorgesehenen
Drehschieber übertragen, welcher
den Öffnungsquerschnitt
der schlitzförmigen Ventilöffnungen 36 und 37 entsprechend
einstellt. Die in Abhängigkeit
von der Drehrichtung der Lenkbewegung dem Druckraum 34 oder
dem Druckraum 35 zugeleitete Hydraulikflüssigkeit
unterstützt
in Abhängigkeit
von der Tordierung des Torsionsstabes 24 die Kolbenbewegung
in der entsprechenden Richtung.
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Wenn
die hydraulische Hilfskraftverstärkereinrichtung 16 mit
der elektrischen Ventilsteuerung defekt ist, wird die Handkraft
am Lenkrad durch die elektromechanische Hilfskraftverstärkereinrichtung unterstützt.
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Auf
diese Weise erreicht man eine Erhöhung der Sicherheit des Lenksystems,
da zwei unabhängige
Unterstützungssysteme
für die
Servowirkung des Lenkgetriebes 10 vorgesehen sind.
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- 10
- Schraublenkgetriebe
- 11
- Ventileinrichtung
- 12
- Getriebegehäuse
- 13
- Welle
des Lenkgetriebes
- 14
- Kolben
(Kugelmutter) des Lenkgetriebes
- 15
- Gewinde
am Kolben des Lenkgetriebes
- 16
- hydraulische
Hilfskraftverstärkereinrichtung
- 17
- Elektromotor
- 18
- ins
Langsame übersetzendes
Getriebe
- 19
- Schaltventil
für Druckspeicher 21
- 20
- Schaltventil
- 21
- Druckspeicher
- 22
- Steuereinrichtung
- 23
- Drehmomentsensor
- 24
- Torsionsstab
- 25
- Abtriebselement
- 26
- Befestigungsstelle
des Torsionsstabes
- 27
- Verbrennungsmotor
- 28
- Kupplung
- 29
- Lenkrad
- 30
- Hydraulikpumpe
- 31
- Segmentwelle
- 32
- Lenkstockhebel
- 33
- Ausgleichbehälter
- 34
- Druckraum
- 35
- Druckraum
- 36
- Ventilschlitz