DE19541749C1 - Servolenkung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servolenkung für Kraftfahrzeuge mit einem als Drehschieberanordnung ausgebil­ deten Servoventil, dessen zueinander drehbewegliche Steuer­ teile - Drehschieberbuchse und Drehschieberkern - miteinander durch eine vorzugsweise als Drehstab ausgebildete Federung, die die Steuerteile in eine Normallage relativ zueinander zu stellen sucht, antriebsgekoppelt sind, und mit einem Lenkge­ triebe, welches zur Antriebsübertragung zwischen einem der Steuerteile und gelenkten Fahrzeugrädern angeordnet und di­ rekt oder indirekt mit einem vom Servoventil gesteuerten hy­ draulischen Servomotor antriebsverbunden ist.

Derartige Servolenkungen sind beispielsweise aus der DE 43 30 338 C1 sowie der DE 39 18 987 A1 bekannt und werden serienmäßig in Kraftfahrzeugen angeordnet. Dabei ist das an­ dere Steuerteil mit einer Lenkhandhabe bzw. einem Lenkhandrad antriebsverbunden, so daß zwischen dem Lenkhandrad und dem Lenkgetriebe auftretende Drehmomente zu einer relativen Dreh­ verstellung der Steuerteile des Servoventiles führen, wodurch der hydraulische Servomotor so angesteuert wird, daß er eine das jeweilige Lenkmanöver unterstützende Servokraft erzeugt, durch die die an der Lenkhandhabe bzw. am Lenkhandrad auf zu­ bringende Handkraft verringert wird.

Bei derartigen bekannten Servolenkungen ist zwischen Lenk­ handhabe bzw. Lenkhandrad und den Fahrzeuglenkrädern ein me­ chanischer Durchtrieb im Sinne einer mechanischen Zwangskopp­ lung vorgesehen.

Gemäß den vorangehend genannten Druckschriften können Servo­ lenkungen eine sogenannte Parametersteuerung aufweisen, um die am Lenkhandrad bzw. an der Lenkhandhabe aufzubringende Handkraft auch in Abhängigkeit von zusätzlichen vorgegebenen Parametern verändern zu können. Gemäß der DE 43 30 338 C1 kann ein zwischen den Steuerteilen des Servoventiles angeord­ netes Stellaggregat eine parameterabhängig gesteuerte Kraft erzeugen, welche - vereinfacht ausgedrückt - dahingehend wirkt, daß das Servoventil leichter oder schwerer verstellbar wird. Gemäß der DE 39 18 987 A1 kann an der mechanischen An­ triebsverbindung zwischen Lenkhandrad bzw. Lenkhandhabe und gelenkten Fahrzeugrädern ein parameterabhängig gesteuerter Elektromotor vorgesehen sein, welcher einen zusätzlichen Lenkwiderstand und/oder eine den jeweiligen Lenkwiderstand vermindernde Zusatzkraft erzeugen kann.

Grundsätzlich ist es auch bekannt, mit einer Handhabe ledig­ lich einen Sollwertgeber zu betätigen, der dann seinerseits über eine Regelstrecke mit einem Stellantrieb zusammenwirkt, dessen Stellhub durch Soll-Istwert-Vergleich geregelt und im wesentlichen analog zum Stellhub der Steuerhandhabe ist. Der­ artige Steuerkonzepte, bei denen elektronische Regelstrecken eingesetzt werden, werden beispielsweise in Flugzeugen zur Betätigung von Flügelklappen und Höhen- sowie Seitenleitwer­ ken eingesetzt. Diese auch als "Fly by wire" bezeichneten Steueranlagen sind inzwischen derart sicher, daß sie nicht nur in militärischen Fluggeräten sondern auch in zivilen Pas­ sagierflugzeugen eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, auch bei einer Lenkung ei­ nes Kraftfahrzeuges ein derartiges Konzept zu verwirklichen und dabei möglichst viele und erprobte Teile herkömmlicher Servolenkungen einzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine ohne Zwangskopplung mit den gelenkten Fahrzeugrädern angeord­ nete Lenkhandhabe einen Lenkwinkel-Sollwertgeber betätigt, der über eine einen Lenkwinkel-Istwertgeber aufweisende Re­ gelstrecke mit einem Stellmotor zusammenwirkt, welcher mit dem anderen Steuerteil antriebsverbunden und/oder zwischen den Steuerteilen zu deren Drehverstellung relativ zueinander angeordnet ist.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die bisher übliche Zwangskopplung zwischen Lenkhandhabe bzw. Lenkhandrad und den Fahrzeuglenkrädern aufzutrennen und gemäß einer er­ sten Alternative mittels der Lenkhandhabe bzw. des Lenkhand­ rades und der Regelstrecke einen entfernt angeordneten Stell­ motor zu betätigen, der dann seinerseits mit dem anderen Steuerteil des Steuerventiles und dementsprechend auch mit den Fahrzeuglenkrädern antriebsverbunden ist, welche dann durch die Stellbewegungen des Stellmotors gelenkt werden, wo­ bei bei größeren zwischen Stellmotor und Fahrzeuglenkrädern übertragenen Momenten zwangsläufig das Servoventil verstellt und damit der Servomotor zur Unterstützung des Stellmotors angesteuert wird. Im Prinzip ist also bei dieser Alternative der Stellmotor mit den Fahrzeuglenkrädern gekoppelt, und zwar in gleicher Weise, wie bei einer herkömmlichen Servolenkung das Lenkhandrad angeordnet ist, so daß wesentliche Teile der erfindungsgemäßen Servolenkung völlig gleichartig wie bei herkömmlichen Servolenkungen ausgebildet sind.

Durch den Wegfall der üblicherweise sonst vorhandenen Lenk­ säule zwischen Lenkhandrad und Lenkgetriebe wird wesentlich weniger Einbauraum benötigt, gleichzeitig entfällt eine Viel­ zahl reibungsbehafteter Drehlager.

Gemäß einer zweiten Alternative der Erfindung ist ein Stell­ motor zwischen den Steuerteilen des Servoventiles angeordnet, so daß die Steuerteile relativ zueinander verstellbar sind und im Ergebnis der Servomotor in der einen oder anderen Richtung betätigt wird, in Analogie zum Stellhub der Lenk­ handhabe bzw. des Lenkhandrades.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung können auch beide Alternativen gleichzeitig verwirklicht sein, wobei dann zwei separate Stellmotoren angeordnet sind.

Hierbei dient der erste, lediglich mit dem anderen Steuerteil des Servoventils verbundene Stellmotor zur Ausführung "normaler" Lenkbewegungen, entsprechend der Stellhubvorgabe der Lenkhandhabe bzw. des Lenkhandrades. Dagegen wird der weitere Stellmotor, welcher lediglich eine Relativdrehung zwischen den Steuerteilen des Servoventiles zu verursachen vermag, überwiegend für Lenkeingriffe eines autonomen Steue­ rungssystems des Fahrzeuges herangezogen, bspw. zur Korrektur von Seitenwindeinflüssen oder zum Abfangen von Schleuderbewe­ gungen des Fahrzeuges usw. Nur bei Störung des ersten Stell­ motors werden mit dem zweiten Stellmotor auch die "normalen" Lenkmanöver iniziiert.

Der erste Stellmotor ist vorzugsweise ein Elektromotor.

Als zweiter Stellmotor ist vorzugsweise ein Hydraulikaggregat vorgesehen.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schnittbild einer ersten Ausführungsform, bei der ein elektrischer Stellmotor über eine antriebsmäßig zwischengeschaltete Servoventilanordnung die Fahrzeu­ glenkung unter gleichzeitiger Steuerung des Servomo­ tors betätigt,

Fig. 2 ein der Fig. 1 entsprechendes Schnittbild einer abge­ wandelten Ausführungsform, bei der die Steuerteile einer Servoventilanordnung durch ein hydraulisches Stellaggregat relativ zueinander verstellbar sind, so daß ein die Fahrzeuglenkung betätigender Servomotor zu Stellbewegungen angesteuert wird, und

Fig. 3 ein entsprechendes Schnittbild einer dritten Ausfüh­ rungsform, bei der die Steuerungsmöglichkeiten der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 kombiniert sind.

Gemäß Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 ein nach Art einer Dreh­ schieberanordnung ausgebildetes, herkömmliches Servoventil 2 angeordnet, welches im wesentlichen aus einem Drehschieber­ teil 2′ sowie einer dazu gleichachsigen Drehschieberbuchse 2′′ besteht. Dieses Servoventil 2 besitzt einen Druckanschluß 3, der mit der Druckseite einer saugseitig mit einem Hydrau­ likreservoir 4 verbundenen Servopumpe 5 verbunden ist. Des­ weiteren besitzt das Servoventil 2 einen mit dem Reservoir 4 kommunizierenden Niederdruckanschluß 6 sowie zwei Motoran­ schlüsse 7 und 8, die mit jeweils einer Seite eines als Ser­ vomotor 9 vorgesehenen doppelt wirkenden Kolben- Zylinder- Aggregates verbunden sind.

Das Servoventil 2 besitzt eine sog. offen Mitte, d. h. alle Anschlüsse 3 und 6 bis 8 kommunizieren miteinander, wenn das Drehschieberteil 2′ und die Drehschieberbuchse 2′′ relativ zueinander eine Mittellage einnehmen. Werden das Drehschie­ berteil 2′ und die Drehschieberbuchse 2′′ relativ zueinander in der einen oder anderen Richtung gegenüber der Mittelstel­ lung verdreht, wird bei arbeitender Servopumpe 5 zwischen den Motoranschlüssen 7 und 8 eine mehr oder weniger große, steu­ erbare Druckdifferenz in der einen oder anderen Richtung er­ zeugt, mit der Folge, daß der Servomotor 9 seinerseits eine entsprechend große Stellkraft in der einen oder anderen Rich­ tung erzeugt.

Drehschieberteil 2′ und Drehschieberbuchse 2′′ sind miteinan­ der durch einen in einer Axialbohrung dieser Teile angeordne­ ten Drehstab 10 verbunden, welcher die beiden Teile 2′ und 2′′ in ihrer Mittelstellung relativ zueinander zu halten sucht.

Auf dem in Fig. 1 linken Ende des Drehschieberteiles 2′ ist der Rotor eines im Gehäuse 1 angeordneten Elektromotors 11 angeordnet, welcher bei Bestromung das Drehschieberteil 2′ und über den Drehstab 10 auch die Drehschieberbuchse 2′′ in der einen oder anderen Richtung zu drehen vermag.

Die Drehschieberbuchse 2′′ trägt ein Ritzel 12, welches mit einer Zahnstange 13 kämmt, die ihrerseits in grundsätzlich bekannter Weise mit den nicht dargestellten Lenkrädern eines Kraftfahrzeuges antriebsverbunden ist und dementsprechend zur jeweiligen Lenkverstellung dieser Räder analoge Verschiebehü­ be ausführt. Die Zahnstange 13 ist mit dem Servomotor 9 di­ rekt oder indirekt zwangsgekoppelt, so daß sich die Zahnstan­ ge 13 und der Kolben des Servomotors 9 jeweils gemeinsam in der einen oder anderen Richtung verschieben.

Die Anordnung der Fig. 1 arbeitet wie folgt:
Mittels eines vom Fahrer des jeweiligen Fahrzeuges betätigten Lenkhandrades 14 wird ein Sollwertgeber 15 betätigt, dessen Signale jeweils einen Sollwert für den einzustellenden Lenk­ winkel der Fahrzeuglenkräder vorgeben und einem Eingang einer Regelschaltung 16 zugeführt werden. Die Regelschaltung 16 vergleicht den Sollwert mit dem jeweiligen Istwert, welcher mittels eines Istwertgebers 17 erfaßt wird, der mit einem mit den Fahrzeuglenkrädern zwangsgekoppelten Lenkgetriebeteil zu­ sammenwirkt, bspw. mit dem Ritzel 12 und/oder der Zahnstange 13. Entsprechend dem Ergebnis des Soll-Ist-Vergleiches steu­ ert die Regelschaltung 16 den Elektromotor 11 an, so daß sich dieser in der einen oder anderen Richtung dreht, je nach der einzustellenden Lenkwinkeländerung. Entsprechend dem zwischen dem Elektromotor 11 und dem Ritzel 12 wirkenden Drehmoment werden das Drehschieberteil 2′ und die Drehschieberbuchse 2′′ gegen die Kraft des Drehstabes 10 mehr oder weniger weit re­ lativ zueinander verdreht, so daß zwischen den Motoranschlüs­ sen 7 und 8 eine mehr oder weniger große Druckdifferenz er­ zeugt wird und der Servomotor 9 die jeweilige Stellbewegung des Elektromotors 11 mit mehr oder weniger großer Kraft un­ terstützt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform vor allem dadurch, daß der Elektromotor 11 fehlt und innerhalb des Gehäuses 1 ein Ringraum 18 angeordnet ist, dessen Innenumfangswandung durch einen zylindrischen Axialabschnitt des Drehschieberteiles 2′ und dessen Außenumfangswand durch die Innenwand des Gehäuses 1 gebildet wird. Dieser Ringraum 18 ist mittels eines axial verschiebbaren Ringkolbens 19 in zwei Ringkammern unterteilt. Der Ringkolben 19 besitzt einen zylindrischen Fortsatz 20 welcher sowohl außen- als auch innenseitig mit schräg zuein­ ander ausgerichteten Nuten bzw. Stegen versehen ist. Diese Nuten bzw. Stege greifen in gegengleiche Nuten und Stege ein, die einerseits an einem Axialabschnitt des Außenumfanges des Drehschieberteiles 2′ und andererseits an einem Innenumfangs­ abschnitt der Drehschieberbuchse 2′′ angeordnet sind. Da die Stege bzw. Nuten auf der Außenseite des Fortsatzes 20 schräg zu den Nuten bzw. Stegen auf der Innenseite des Fortsatzes 20 verlaufen, führen der Fortsatz 20 sowie der Ringkolben 19 zwangsläufig einen Axialhub aus, sobald das Drehschieberteil 2′ und die Drehschieberhülse 2′′ relativ zu einander verdreht werden. In entsprechender Weise werden die Teile 2′ und 2′′ zwangsläufig relativ zueinander in der einen oder anderen Richtung verdreht, wenn der Ringkolben 19 in der einen oder anderen Richtung axial verschoben wird.

Die vom Ringkolben 19 im Ringraum 18 von einander abgeteilten Ringkammern sind über Leitungen 21 und 22 sowie ein Steuer­ ventil 24 mit einer Pumpe 25 sowie dem Hydraulikreservoir 4 verbindbar, so daß bei entsprechend betätigtem Steuerventil 24 zwischen den beiden Ringkammern im Ringraum 18 eine mehr oder weniger große Druckdifferenz in der einen oder anderen Richtung herstellbar ist. Damit läßt sich dann der Ringkolben 19 in der einen oder anderen Axial­ richtung verschieben, mit der Folge, daß das Servoventil 2 verstellt und zwischen den Motoranschlüssen 7 und 8 des Ser­ vomotors 9 eine Druckdifferenz hergestellt wird. Auf diese Weise kann dann der Servomotor 9 einen Stellhub ausführen, durch den die Fahrzeuglenkung sowie die Zahnstange 13 ver­ stellt werden.

Die Anordnung der Fig. 2 arbeitet wie folgt:
Durch den mittels des Lenkhandrades 14 betätigten Sollwertge­ ber 15 wird wiederum ein Sollwert für den einzustellenden Lenkwinkel der Fahrzeuglenkräder vorgegeben. Die Regelschal­ tung 16 vergleicht wiederum diesen Sollwert mit dem vom Ist­ wertgeber 17 gemeldeten Istwert und betätigt beim Auftreten einer Soll-Istwert-Abweichung das Ventil 24. Je nach Rich­ tungssinn der Soll-Istwert-Abweichung wird dann das Steber­ ventil 24 in der einen oder anderen Richtung verschoben, mit der Folge, daß sich der Ringkolben 19 in der einen oder ande­ ren Richtung verschiebt, wodurch dann an den Motoranschlüssen 7 und 8 des Servomotors 9 eine mehr oder weniger große Druck­ differenz in der einen oder anderen Richtung eingestellt wird und der Servomotor 9 einen Stellhub zum Ausgleich der Soll- Istwert-Abweichung ausführt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind beide Steuermöglich­ keiten des Servoventiles 2 gemäß den Fig. 1 und 2 vorhan­ den. Dabei arbeitet die Ausführungsform nach Fig. 3 vorzugs­ weise wie folgt:
Die Regelschaltung 16 vergleicht wiederum den vom Sollwertge­ ber 15 am Lenkhandrad 14 vorgegebenen Sollwert mit dem vom Istwertgeber 17 gemeldeten Istwert und steuert den Elektromo­ tor 11 im Sinne eines Ausgleiches der Soll-Istwert-Abweichung an. Darüber hinaus ist die Regelschaltung 16 mit weiteren Sensoren 26 verbunden, die besondere Fahrsituationen "erkennen" können, bspw. Seitenwindkräfte oder Gierbewegungen des Fahrzeuges o. dgl. In Abhängigkeit von diesen letzteren Signalen kann dann die Regelschaltung 16 autonom ein besonde­ res Lenkmanöver durchführen und dazu die Ventile 23 und 24 so betätigen, daß der Ringkolben 19 einen Stellhub ausführt, welcher dann zu einer (ggf. zusätzlichen) Verstellung des Servoventiles 2 und damit zu einer veränderten Stellkraft des Servomotors 9 führt.

Im übrigen besteht die Möglichkeit, bei Betriebsstörungen des Elektromotors 11 die Fahrzeuglenkung durch entsprechende An­ steuerung der Ventile 23 und 24 gemäß den obigen Erläuterun­ gen zur Fig. 2 zu betätigen. Durch die somit gegebene Redun­ danz wird die Sicherheit des Systems wesentlich erhöht.

Claims (5)

1. Hydraulische Servolenkung für Kraftfahrzeuge mit einem als Drehschieberanordnung ausgebildeten Servoventil, dessen zu­ einander drehbewegliche Steuerteile miteinander durch eine vorzugsweise als Drehstab ausgebildete Federung, die die Steuerteile in eine Normallage relativ zueinander zu stellen sucht, antriebsgekoppelt sind, und mit einem Lenkgetriebe, welches zur Antriebsübertragung zwischen einem der Steuertei­ le und gelenkten Fahrzeugrädern angeordnet und direkt oder indirekt mit einem vom Servoventil gesteuerten hydraulischen Servomotor antriebsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine ohne Zwangskopplung mit den gelenkten Fahrzeugrädern angeordnete Lenkhandhabe (14) einen Lenkwinkel-Sollwertgeber (15) betätigt, der über eine einen Lenkwinkel-Istwertgeber (17) aufweisende Regelstrecke (16) mit einem Stellmotor (11; 18, 19) zusammenwirkt, welcher mit dem anderen Steuerteil (2′) antriebsverbunden und/oder zwischen den Steuerteilen (2′, 2′′) zu deren Drehverstellung relativ zueinander angeordnet ist.

2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Steuerteil (2′) ein Elektromotor (11) angeord­ net ist.

3. Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Steuerteilen (2′, 2′′) ein hydraulisches Ver­ drängeraggregat (18, 19) wirksam ist, welches derart mit den Steuerteilen (2′, 2′′) zwangsgekoppelt ist, daß die Steuertei­ le relativ zueinander bei Verdrängerhüben verdreht werden.

4. Servoventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein das andere Steuerteil (2′′) antreibender Stellmotor (11) im wesentlichen nur in Abhängigkeit von den mittels der Lenkhandhabe (14) vorgegebenen Sollwerten gesteuert wird, während ein zwischen den Steuerteilen (2′, 2′′) wirksamer Stellmotor (18, 19) zur Ausführung automatischer Lenkkorrektu­ ren dient.

5. Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (2) eine offene Mittelstellung aufweist.