DE19519875C1 - Hydraulische Servosteuerung, insbesondere Servolenkung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servosteuerung, insbesondere eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einer Handhabe, z. B. Lenkhandrad, einem damit zwangsge­ koppelten Steueraggregat, z. B. lenkbare Fahrzeugräder, einem mit dem Steueraggregat antriebsverbundenen hydraulischen Servomotor und einer mit dem Servomotor verbindbaren Hydraulikpumpe, die in Abhängigkeit von einer an der Handhabe fühlbaren, mittels eines Meßgebers ermittelbaren Handkraft steuerbar ist.

Eine derartige Servolenkung für Kraftfahrzeuge ist Gegen­ stand der DE 34 35 544 A1. Dort wird eine mit hydraulischer Servounterstützung arbeitende Zahnstangenlenkung beschrieben, bei der die Zahnstange mit einem als Servomotor dienenden doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Aggregat antriebsverbunden ist, dessen beide Seiten mit einer bezüglich der Förder­ richtung umsteuerbaren Zahnradpumpe mit steuerbarer Förderleistung verbunden sind. In Abhängigkeit von einem an der Lenksäule zwischen Lenkhandrad und Ritzel der Zahnstangenlenkung angeordneten Meßgeber, der auf das zwischen Lenkhandrad und Ritzel übertragene Drehmoment und/oder den übertragenen Drehhub reagiert, wird die genannte Pumpe hinsichtlich Förderrichtung und Förder­ leistung gesteuert.

Aus der DE-OS 29 15 890 ist eine für Kraftfahrzeuge vorgesehene Lenkeinrichtung bekannt, bei der ein Lenkhandrad gegen Widerstand drehbar ist. In Abhängig­ keit vom Widerstand und der Drehrichtung des Lenkhand­ rades werden die Förderleistung einer Pumpe sowie ein druckseitig der Pumpe angeordnetes Schaltventil gesteuert, über das jeweils eine Seite eines als Servo­ motor dienenden doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Aggregates mit der Druckseite der vorgenannten Pumpe und die andere Seite mit einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir verbunden werden können. In einer Mittellage des Schalt­ ventiles ist die Druckseite der Pumpe unmittelbar mit dem Reservoir verbunden, während das Kolben-Zylinder- Aggregat hydraulisch blockiert wird. Das Kolben-Zylinder- Aggregat betätigt dann die Lenkräder des Fahrzeuges analog zur Drehbewegung des Lenkhandrades.

Im übrigen sind bei heutigen Kraftfahrzeugen hydraulische Servolenkungen üblich, bei denen in Abhängigkeit von der am Lenkhandrad fühlbaren Betätigungskraft ein Schieberventil verstellt wird, welches zwei von der Druckseite einer Hy­ draulikpumpe zu einem relativ drucklosen Reservoir führende Drosselstrecken aufweist. Diese Drosselstrecken besitzen jeweils eine Eingangs- und eine Ausgangsdrossel, zwischen denen ein Motoranschluß abzweigt, der mit jeweils einer Seite eines in zwei Richtungen antreibbaren hydraulischen Servomotors verbunden ist. Bei Verschiebung des Schieber­ ventiles in der einen Richtung wird die Eingangsdrossel der einen Drosselstrecke bei gleichzeitig zunehmender Drosselung der zugeordneten Ausgangsdrossel zunehmend geöffnet, während die Drosseln der anderen Drosselstrecke in jeweils umge­ kehrter Richtung verstellt werden. Auf diese Weise kann zwischen den Motoranschlüssen eine fein steuerbare Druck­ differenz in der einen oder anderen Richtung erzeugt werden, um mit dem Servomotor eine entsprechend steuerbare Servo­ kraft in der einen oder anderen Richtung zu bewirken.

Diese letztgenannten Servolenkungen zeichnen sich zwar durch ein gutes Steuerverhalten aus. Jedoch ist der kon­ struktive Aufwand vergleichsweise hoch, insbesondere dann, wenn zusätzlich eine Rückwirkungssteuerung vorgesehen ist, durch die die Handkraft analog zu der vom Servomotor er­ zeugten Servokraft gesteuert wird.

Die eingangs dargestellten Servosteuerungen zeichnen sich durch vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand aus. Jedoch wird keine wirklich feinfühlige Handhabung ermög­ licht.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine besonders preis­ günstige und feinfühlig handhabbare Servosteuerung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Servosteuerung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß in der Antriebsübertragung zwischen Servomotor und Steueraggregat ein Kraftmesser angeordnet und der Zustrom von Hydraulik­ medium zum Servomotor derart steuerbar ist, daß ein vom Kraftmesser ermittelter Kraft-Istwert einem von der Hand­ kraft abhängigen Sollwert entspricht.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in Ab­ hängigkeit von der an der Handhabe fühlbaren Handkraft einen Sollwert für die Kraft des Servomotors vor zugeben und diesen Servomotor durch Steuerung des Zustroms des hydraulischen Mediums entsprechend dem Soll-Istwert-Vergleich zu regeln.

Eine solche Regelung kann mit relativ geringem Aufwand erreicht werden. Gleichzeitig wird dann gewährleistet, daß sich die Handkraft analog zur Servokraft verändert, wobei grundsätzlich beliebige funktionale Beziehungen zwischen Handkraft und Servokraft vorgegeben werden können.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Er­ läuterung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform verwiesen, die anhand der Zeichnung beschrieben wird.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Servolenkung für Kraftfahrzeuge in Neutralstellung,

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung bei Betätigung der Lenkung in einer Richtung und

Fig. 3 ein Diagramm, welches mögliche funktionale Zusammen­ hänge zwischen Handkraft und Servokraft wiedergibt.

Im dargestellten Beispiel ist die Lenkung als Zahnstangen­ lenkung ausgebildet. Die Drehbewegung eines Lenkhandrades wird über eine Lenkwelle 2 auf ein Ritzel 3 übertragen, welches mit einer Zahnstange 4 kämmt. Die Zahnstange 4 ist über Spurstangen 5 mit den nicht dargestellten Lenkrädern des Fahrzeuges zu dessen Lenkverstellung zwangsgekoppelt.

Im übrigen bildet ein unverzahnter Teil der Zahnstange eine Kolbenstange eines doppeltwirkenden Kolben-Zylinder- Aggregates 6, dessen Kolbenarbeitsräume 7 und 8 über ein 4/3-Wegeventil 9 in der in Fig. 1 dargestellten Neutral­ stellung dieses Ventiles 9 miteinander verbunden sind, so daß der Kolben 10 des Aggregates 6 und damit die Zahn­ stange 4 passiv beweglich bleiben. In den beiden übrigen Stellungen des Ventiles 9 wird jeweils einer der Kolben­ arbeitsräume 7 und 8 mit der Druckseite P einer durch Elektromotor 11 angetriebenen Pumpe 12 verbunden, während der jeweils andere Kolbenarbeitsraum mit der Saugseite S der Pumpe 12 bzw. einem der Pumpe 12 benachbarten Hydrau­ likreservoir 13 verbunden wird.

Das Ventil 9 wird durch Federn 14 in die Neutralstellung der Fig. 1 gespannt und durch Elektromagnete 15 und 16 wahlweise in die eine oder andere Schaltstellung gebracht und in der jeweiligen Schaltstellung gehalten, solange der dieser Schaltstellung zugeordnete Elektromagnet 15 oder 16 bestromt wird.

Zur Steuerung der Elektromagnete 15 und 16 dient ein elektronisches Steuergerät 17, welches auch die Leistung des Elektromotors 11 und damit die Förderleistung der Pumpe 12 steuert.

Eingangsseitig ist das Steuergerät 17 mit einem ersten Kraftmesser 18 verbunden, dessen Signale das zwischen Lenkhandrad 1 und Ritzel 3 übertragene Drehmoment wieder­ geben. Dazu kann die Lenkwelle 2 beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein, wobei die beiden Teile über ein Piezoelement miteinander verbunden sind, mit dem dann eine zum übertragenen Drehmoment analoge elektrische Spannung erzeugbar ist, die dem Steuergerät 10 als Ein­ gangssignal zugeführt wird.

Des weiteren ist das Steuergerät eingangsseitig mit einem Kraftmesser 19 verbunden, welcher wiederum im wesentlichen durch ein Piezoelement gebildet sein kann. Damit "kennt" das Steuergerät 17 die zwischen der Zahnstange 4 bzw. dem Kolben-Zylinder-Aggregat 6 und den Lenkrädern des Fahr­ zeuges übertragenen Lenkkräfte.

Vorzugsweise sind beiden Spurstangen 5 Kraftmesser 19 zugeordnet.

Das dargestellte System funktioniert wie folgt:

Bei Betätigung des Lenkhandrades 1 erzeugt der Kraft­ messer 18 ein die Handkraft wiedergebendes Signal, welches je nach Drehrichtung des Lenkhandrades 1 unterschiedlich ist. Aufgrund dieses Signales bestromt das Steuergerät 17 den einen oder den anderen der Elektromagnete 15 und 16, so daß das Ventil 9 aus der Neutralstellung der Fig. 1 in eine Schaltstellung, beispielsweise die Schaltstellung der Fig. 2 gebracht wird.

Gleichzeitig wird der Elektromotor 11 eingeschaltet bzw. auf erhöhte Leistung gebracht, so daß die Pumpe 12 ent­ sprechend Hydraulikmedium fördert. Damit erzeugt das Kolben-Zylinder-Aggregat 6 eine die Lenkbewegung des Lenkhandrades 1 unterstützende Stellkraft.

Der Istwert dieser Stellkraft wird mittels des Kraft­ messers 19 bzw. der Kraftmesser 19 erfaßt, wobei dann das Steuergerät 17 den Elektromotor 11 so regelt, daß zwischen der vom Kraftmesser 18 erfaßten Handkraft und der vom Kraftmesser 19 erfaßten Stellkraft ein vorge­ gebener Zusammenhang auftritt.

Beispielsweise ist es gemäß der Fig. 3 möglich, diesen Zusammenhang entsprechend der Kurve K₁ auszugestalten, d. h. bereits bei relativ geringem Handkraftmoment M wird eine hohe Stellkraft F in der einen oder anderen Richtung erreicht.

Gegebenenfalls kann das Steuergerät 17 zusätzliche Para­ meter, wie z. B. Stellungen eines willkürlich betätigbaren Schalters oder die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, berücksichtigen und den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Handkraftmoment M und der Stellkraft F verändern, beispielsweise entsprechend der Kurve K₂. In diesem Falls wird erst bei einem größeren Handkraftmoment M eine höhere Stellkraft F erreicht.

Die Verhältnisse der Kurve K₁ sind bei sehr langsamer Fahr­ geschwindigkeit, etwa beim Rangierbetrieb, vorteilhaft. Die Verhältnisse der Kurve K₂ sind bei höherer Fahrgeschwindig­ keit zweckmäßig, wobei in der Regel das Regelverhalten des Steuergerätes 17 mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit kon­ tinuierlich verändert wird. Die Kurven K₁ und K₂ geben lediglich die Verhältnisse bei konstanten Geschwindigkeiten - einmal sehr geringe Geschwindigkeit, einmal höhere Ge­ schwindigkeit - wieder.

Die Regelung der Stellkraft F durch das Steuergerät 17 erfolgt mit vergleichsweise geringem Aufwand, da dazu lediglich Umschaltungen des Ventiles 9 sowie eine Leistungs­ steuerung des Elektromotor 11 erfolgen müssen.

Auch die Kraftmesser 18 und 19 können einfacher Art sein.

Insgesamt wird also mit geringem konstruktiven Aufwand eine Servosteuerung mit vorgebbarer Rückwirkungssteuerung erreicht.

Abweichend von der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 kann das Ventil 9 auch als Proportionalventil ausgebildet sein, wie in Fig. 2 symbolisch dargestellt ist.

Im übrigen kann das Ventil 9 auch pneumatisch gesteuert werden.

Claims (4)

1. Hydraulische Servosteuerung, insbesondere Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einer Handhabe, z. B. Handlenkrad einem damit zwangsgekoppelten Steueraggregat, z. B. lenkbare Fahr­ zeugräder, einem mit dem Steueraggregat antriebsver­ bundenen hydraulischen Servomotor und einer mit dem Servo­ motor verbindbaren Hydraulikpumpe, die in Abhängigkeit von einer an der Handhabe fühlbaren, mittels eines Meßgebers ermittelbaren Handkraft bzw. Handkraftmoment steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Antriebsübertragung (4, 5) zwischen Servomotor (6) und Steueraggregat ein Kraftmesser (19) angeordnet und der Zustrom von Hydraulikmedium zum Servomotor (6) derart steuerbar ist, daß ein vom Kraftmesser (19) ermittelter Kraft-Istwert einem von der Handkraft abhängigen Sollwert entspricht.

2. Servosteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Pumpe (12) und dem in zwei Richtungen antreibbaren Servomotor (6) ein Schaltventil (9) ange­ ordnet ist, welches in einer Neutrallage beide Seiten des Servomotor (6) miteinander und/oder mit einem Reservoir (13) verbindet und damit den Servomotor (6) passiv beweglich läßt, und daß in zwei Schaltlagen des Ventiles (9) jeweils eine Seite des Servomotors (6) mit der Druckseite der Pumpe (12) bei gleichzeitiger Ver­ bindung der anderen Seite des Servomotors (6) mit der Saugseite der Pumpe (12) bzw. mit dem Reservoir (13) verbunden ist.

3. Servosteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (9) durch Federung (14) in seine Neutralstellung gespannt ist.

4. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (9) als Proportionalventil ausgebildet ist.