DE10353083B4 - Hilfskraftunterstütztes Lenksystem eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Hilfskraftunterstütztes Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenkgetriebe zur Umsetzung des vom Fahrer mit seiner Lenkhandhabe vorgegebenen Lenkwunsches in eine Verschiebebewegung von den lenkbaren Rädern zugeordneten Spurstangen, sowie mit einer Überlagerungseinheit, mit der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel ein gleichgerichteter oder gegengerichteter Zusatz-Lenkwinkel hinzugefügt werden kann, so dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der Lenkwinkelvorgabe des Fahrers und dem Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes am Lenkgetriebe gegenüber einem durch das Lenkgetriebe vorgegebenen Übersetzungsverhältnis veränderbar ist, wobei in gewissen Betriebzuständen bei vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkeln, die oberhalb eines im Bereich zwischen einem Lenkwinkel-Wunsch von 0° und dem maximal vorgebbaren Lenkwinkel mittleren Lenkwinkelwunsches liegen, der je vorgegebener Winkeleinheit ausgeführte Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes mit zunehmender Lenkwinkelvorgabe durch Überlagerung gegengerichteter Zusatz-Lenkwinkel reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parkiervorgang des Kraftfahrzeugs und somit eine Fahrgeschwindigkeit unterhalb von 5 km/h oder ein Lenken bei Fahrzeugstillstand und gebremsten Rädern ein Betriebszustand ist, in dem die beschriebene Veränderung des Übersetzungsverhältnisses umgesetzt wird, wobei gleichzeitig die Lenkübersetzung im Bereich um die Nulllage (= Geradeausstellung) in den genannten gewissen Betriebszuständen durch Einsteuerung positiver Zusatzlenkwinkel durch die Überlagerungseinheit direkter eingestellt wird, um auch in diesen gewissen Betriebszuständen einen Fahrer-Lenkwinkel von Anschlag zu Anschlag zu erhalten, der sich von demjenigen in anderen Betriebszuständen nicht nennenswert unterscheidet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein hilfskraftunterstütztes Lenksystem eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 101 26 424 A1 und der DE 100 32 340 A1 auf die zur Bildung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 herangezogene EP 0 853 029 A2 verwiesen.
• Das Lenken, d. h. das Einschlagen von lenkbaren Rädern eines Kraftfahrzeugs erfordert Kraft bzw. Leistung, und zwar um so mehr, je geringer die Drehgeschwindigkeit der gelenkten Räder ist. Der größte Leistungsbedarf liegt somit beim Parkieren des Fahrzeugs mit gebremsten Rädern vor, d. h. wenn die lenkbaren Räder gebremst und somit gegen Drehen blockiert sind und gleichzeitig eingeschlagen, d. h. gelenkt werden. Dabei ist der Kraftbedarf im Bereich der beiden möglichen Endlagen, d. h. nahe des jeweils maximal möglichen Lenkeinschlags besonders hoch, u. a. da mit zunehmendem Radlenkwinkel die seitlichen Verspannungen im Rad-Reifen ansteigen.
• Üblicherweise sind Lenksysteme bzw. mechanische Lenkgetriebe derart ausgelegt, dass in der Nähe des Endanschlages, d. h. bei einer Zahnstangenlenkung im Bereich der Endlagen des Zahnstangenhubes die Gesamtübersetzung direkter wird, damit der vom Fahrzeug-Fahrer an seinem Lenkrad (= Lenkhandhabe) von einem Endanschlag zum anderen Endanschlag aufzubringende Gesamtlenkwinkel auf einen vetretbaren Wert begrenzt ist. Weiterhin steigen auch die Spurstangenkräfte mit zunehmenden Lenkwinkel aufgrund des sich in den Spurstangen ändernden Übersetzungsverhältnisses stark an. Beides führt zu einem großen Leistungsbedarf insbesondere an den Endlagen des Zahnstangenhubes (im Falle einer Zahnstangenlenkung).
• Üblich sind hilfskraftunterstützte Lenksysteme, wobei die Hilfskraft vorrangig hydraulisch aufgebracht wird; daneben sind jedoch auch elektromotorische Hilfskraftsysteme bekannt. Unabhängig davon, welches Hilfskraftsystem in einem konkreten Anwendungsfall verbaut ist, ist aufgrund des beschriebenen großen Kraft- bzw. Leistungsbedarfs insbesondere in den Endlagen des Zahnstangenhubes bzw. im Bereich großer Lenkwinkel (nahe des jeweiligen Endanschlags) eine entsprechend große Dimensionierung der Hilfskraftunterstützung erforderlich. Es müssen also entsprechend starke Motoren oder Hydraulikpumpen vorgesehen sein, deren Antrieb wiederrum viel Energie benötigt, was zu Lasten der Energiebilanz bzw. des Verbrauchs des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeug geht, nachdem dieses üblicherweise (direkt oder indirekt) auch das die Hilfskraft für das Lenksystem bereitstellende Aggregat antreibt.
• Eine mögliche Abhilfemaßnahme für dieses Problematik ist in der DE 101 26 424 A1 beschrieben, wonach die Lenkgetriebeübersetzung in den Endlagen indirekter ausgelegt wird, so dass das die Hilfskraft für das Lenksystem bereitstellende Aggregat (= eine in der genannten Schrift sog. Servoeinrichtung) möglichst gering dimensioniert werden kann. Eine geringere Lenkübersetzung in den Endlagen hat im Falle einer Zahnstangenlenkung einen geringeren Zahnstangenhub je vom Fahrer mit seinem Lenkrad oder dgl. vorgegebener Lenkwinkeleinheit zur Folge, so dass logischerweise dann eine geringere Leistung benötigt wird. Als direkte Folge einer solchen Auslegung der Lenkübersetzung wird jedoch der Lenkwinkelbereich am Lenkrad des Fahrers vergrößert, wenn die lenkbaren Räder bspw. von einem Endanschlag zum anderen Endanschlag eingeschlagen werden sollen. Um diese für den Fahrer unkomfortable Folge zu verringern und gleichzeitig im Bereich der Nulllage des Lenkrads, d. h. in Geradeausfahrstellung eine möglichst indirekte Lenkung bereit zu stellen, ist nach dieser genannten Schrift die Auslegung des Lenkgetriebes so getroffen, dass jeweils in einem Zwischenbereich zwischen der Nulllage und dem jeweiligen Endanschlag eine relativ direkte Getriebe-Übersetzung vorgesehen ist. Der Verlauf der Getriebe-Übersetzung, d. h. der Zahnstangenhub (dies ist der Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes am Lenkgetriebe) über dem vom Fahrer mit seinem Lenkrad vorgegebenen Lenkwinkel weist daher (ausgehend von der Nulllage) zunächst einen ansteigenden und danach (mit größer werdenden Lenkwinkeln) einen abfallenden Bereich auf.
• Es hat sich gezeigt, dass auch mit dieser geschilderten bekannten Maßnahme immer noch eine relativ direkte Lenkübersetzung im Bereich der Geradeausstellung des Lenkrads benötigt wird, wenn der Gesamt-Lenkwinkel, der vom Fahrer am Lenkrad aufgebracht werden muss, in einer vertretbaren Größe gehalten werden soll. Nachteilig hieran ist, dass die Lenkung im Bereich der Nulllage eine bestimmte Indirektheit aufweisen sollte, um auch bei höheren Fahr-Geschwindigkeiten ein Verreissen des Fahrzeugs bei kleinen Lenkwinkeleingaben zu vermeiden und damit ausreichende Stabilität zu gewährleisten. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Systems nach der DE 101 26 424 A1 ist darin zu sehen, dass der Verlauf des Übersetzungsverhältnisses des Lenkgetriebes fest (nämlich mechanisch) in der Zahnstangenkontur dargestellt ist. Es ist also nicht möglich, verschiedene Übersetzungsverläufe zu realisieren.
• Bekannt sind weiterhin Lenksysteme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die mit einer sog. Überlagerungseinheit ausgerüstet sind, welche dem vom Fahrer mit seinem Lenkrad (allgemein seiner Lenkhandhabe) vorgegebenen Lenkwinkel einen gleichgerichteten oder gegengerichteten Zusatz-Lenkwinkel hinzufügen kann, vgl. die eingangs genannte EP 0 853 029 A2 . Bspw. kann es sich bei dieser Überlagerungseinheit um einen Stellmotor mit einem Planetengetriebe handeln, dessen erster Eingang mit dem Lenkrad des Fahrers verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit einem von dem elektrischen Stellmotor angetriebenen Schneckentrieb verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Eingang des Lenkgetriebes mechanisch verbunden ist. Über den Elektromotor mit dem Schneckentrieb kann somit ein zusätzlicher Lenkwinkel eingesteuert werden, der dann an das Lenkgetriebe weitergeleitet wird, wodurch sich das Übersetzungsverhältnis des Lenksystems ändert. In der genannten EP 0 853 029 A2 sind dabei verschiedene Möglichkeiten zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen angegeben, ohne das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem zu erwähnen.
• Für ein derartiges Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 soll nun eine Maßnahme aufgezeigt werden, mit Hilfe derer der maximale Leistungsbedarf zum Einschlagen der lenkbaren Fzg.-Räder, der wie geschildert nahe der beiden Endanschläge besonders hoch ist, ohne wesentliche Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, reduziert werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein hilfskraftunterstütztes Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Erfindungsgemäß wird also, um den Leistungsbedarf am Lenkgetriebe zu reduzieren, die Lenkübersetzung im Lenkgetriebe indirekter gestaltet, jedoch nur in solchen Bereichen und Betriebszuständen, in denen der Leistungsbedarf ansonsten überproportional hoch wäre bzw. ist. Im Bereich nahe der Endanschläge oder Endlagen mit dem eingangs geschilderten großen Leistungsbedarf wird durch Vorgabe negativer Zusatz-Lenkwinkel also die Übersetzung indirekter eingestellt. Der Übersetzungsverlauf weist also nahe den Endlagen einen abfallenden Abschnitt auf und reduziert dadurch den Leistungsbedarf. Dieser Bereich mit dem „abfallenden” Abschnitt nahe der Endlagen lässt sich auch derart beschreiben, dass er oberhalb eines im Bereich zwischen einem Lenkwinkel-Wunsch von 0° und dem maximal vorgebbaren Lenkwinkel im wesentlichen mittleren Lenkwinkelwunsches liegt.
• Dabei wird diese vorgeschlagene Maßnahme nur dann ergriffen, wenn eine Reduzierung des Leistungsbedarfs auch tatsächlich erforderlich ist, so bei einem Parkiervorgang. Dieser lässt sich dadurch beschreiben, dass die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs unterhalb von 5 km/h liegt. Ferner stellt bspw. ein naturgemäß einen hohen Leistungsbedarf aufweisendes Lenken im Fahrzeugstillstand bei gebremsten Rädern ebenfalls einen Betriebszustand dar, bei dem die beschriebene Veränderung des Übersetzungsverhältnisses umgesetzt wird, d. h. gegengerichtete Zusatzlenkwinkel bei Vorgabe sehr großer Lenkwinkel durch den Fahrer hinzugefügt werden, um eine indirektere Lenkübersetzung zu erhalten.
• Da die soweit beschriebene Maßnahme, nämlich den je (vom Fahrer vorgegebener) Lenk-Winkeleinheit ausgeführten Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes (am Lenkgetriebe) mit zunehmender Lenkwinkelvorgabe durch Überlagerung gegengerichteter Zusatz-Lenkwinkel (in gewissen Betriebszuständen für relativ große Lenkwinkel) zu reduzieren (und somit eine indirektere Lenkübersetzung zu erhalten), zunächst einen höheren Gesamt-Lenkwinkel am Lenkrad von Anschlag zu Anschlag zur Folge hat, was aus Komfortgründen unerwünscht wird, kann weiterhin die Lenkübersetzung im Bereich um die Nulllage (= Geradeausstellung) in diesen gewissen Betriebszuständen durch Einsteuerung positiver Zusatzlenkwinkel durch die Überlagerungseinheit etwas direkter eingestellt werden, derart, dass in Summe der erforderliche Fahrer-Lenkwinkel von End-Anschlag zu End-Anschlag im wesentlichen unverändert bleibt.
• Die beigefügte einzige Figur zeigt beispielhaft mögliche Lenkübersetzungen, dargestellt als Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes (in mm/°) über dem vom Fahrer mit seinem Lenkrad vorgegebenen Lenkwinkel (in °). Dargestellt ist dabei nur eine Hälfte, nämlich der Bereich ausgehend von der Nulllage des Lenkrads (= Geradeausstellung, 0°) bis zu einem maximalen positiven Lenkwinkel von ca. 540°. Dabei stellt die mit der Bezugsziffer „0” gekennzeichnete Kurve die Basisauslegung des Übersetzungsverlaufs dar, d. h. eine Auslegung, die für viele Betriebszustände des Fahrzeugs gilt, die nicht die „gewissen Betriebszustände” im Sinne der vorliegenden Erfindung sind.
• Demgegenüber stellt die mit der Bezugsziffer „1” gekennzeichnete Kurve eine für hohe Lenkwinkel um 5% reduzierte Lenkübersetzung dar, die somit, da die zu erbringende Leistung proportional zur Hubgeschwindigkeit des Spurstangenanlenkpunktes am Lenkgetriebe ist, gegenüber der Basisauslegung eine Verringerung der erforderlichen Leistung um 5% bewirkt (gleiche Lenkwinkelgeschwindigkeit am Lenkrad des Fahrers vorausgesetzt). Eine dementsprechende Lenkübersetzung wird nun in gewissen Betriebszuständen durch Überlagerung eines geeigneten entgegengerichteten Zusatzlenkwinkels für höhere vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel eingestellt.
• Um dabei mit der Lenkübersetzung gemäß der Kurve „1” einen gegenüber einer Lenkübersetzung gemäß der Basis-Kurve „0” unveränderten Gesamt-Lenkwinkel am Lenkrad von Anschlag zu Anschlag zu erhalten, ist weiterhin die Lenkübersetzung im Bereich der Nulllage durch positive Zusatzlenkwinkel direkter eingestellt, denn mathematisch betrachtet muss zur Erfüllung dieser Anforderung das Integral dieser beiden Kurven 0, 1 über dem Lenkwinkel denselben Wert besitzen. Dies ist dann der Fall, wenn die in der Figur schraffierten Flächen gleich groß sind.
• Zum Vergleich sind zwei weitere Übersetzungsverläufe mit den Bezugsziffern 2, 3 dargestellt, mit denen eine noch stärkere Leitungsreduzierung um 10% um 15% erzielbar ist, jedoch vergrößert sich mit zunehmender Leistungsreduzierung die Spreizung des Übersetzungsverlaufes, was einen gewünschten stetigen Übergang zur Basisübersetzungskennlinie erschwert. Grundsätzlich ist mit der vorgeschlagenen Maßnahme jedoch eine signifikante Reduktion des Leistungsbedarfs an einem Lenksystem möglich.

Claims (1)

1. Hilfskraftunterstütztes Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenkgetriebe zur Umsetzung des vom Fahrer mit seiner Lenkhandhabe vorgegebenen Lenkwunsches in eine Verschiebebewegung von den lenkbaren Rädern zugeordneten Spurstangen, sowie mit einer Überlagerungseinheit, mit der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel ein gleichgerichteter oder gegengerichteter Zusatz-Lenkwinkel hinzugefügt werden kann, so dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der Lenkwinkelvorgabe des Fahrers und dem Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes am Lenkgetriebe gegenüber einem durch das Lenkgetriebe vorgegebenen Übersetzungsverhältnis veränderbar ist, wobei in gewissen Betriebzuständen bei vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkeln, die oberhalb eines im Bereich zwischen einem Lenkwinkel-Wunsch von 0° und dem maximal vorgebbaren Lenkwinkel mittleren Lenkwinkelwunsches liegen, der je vorgegebener Winkeleinheit ausgeführte Hub des Spurstangen-Anlenkpunktes mit zunehmender Lenkwinkelvorgabe durch Überlagerung gegengerichteter Zusatz-Lenkwinkel reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parkiervorgang des Kraftfahrzeugs und somit eine Fahrgeschwindigkeit unterhalb von 5 km/h oder ein Lenken bei Fahrzeugstillstand und gebremsten Rädern ein Betriebszustand ist, in dem die beschriebene Veränderung des Übersetzungsverhältnisses umgesetzt wird, wobei gleichzeitig die Lenkübersetzung im Bereich um die Nulllage (= Geradeausstellung) in den genannten gewissen Betriebszuständen durch Einsteuerung positiver Zusatzlenkwinkel durch die Überlagerungseinheit direkter eingestellt wird, um auch in diesen gewissen Betriebszuständen einen Fahrer-Lenkwinkel von Anschlag zu Anschlag zu erhalten, der sich von demjenigen in anderen Betriebszuständen nicht nennenswert unterscheidet.

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