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Stand der Technik
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Das
erfindungsgemäße Lenksystem
bzw. die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung
geht aus von einer Lenkung für
ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Bei
konventionellen Lenkungen werden die durch das Lenkrad vom Fahrer
initiierten Lenkbewegungen mittels eines Lenkgetriebes, unter Umständen unterstützt durch
eine Hilfskraft, an die lenkbaren Rädern weitergeleitet. Darüber hinaus
sind Lenksysteme bekannt, bei denen den Lenkbewegungen, die durch
den Fahrer initiiert werden, weitere, durch ein Stellglied initiierte
Lenkbewegungen überlagert
werden. Solch ein System ist aus der DE-OS 40 31 316 (entspricht
der
US 5,205,371 ) bekannt.
Bei diesem System ist zwischen dem vom Fahrer betätigten Lenkrad
und dem Lenkgetriebe ein Überlagerungsgetriebe
vorgesehen, durch das den Lenkbewegungen des Fahrers eine Bewegung
eines Stellgliedes überlagert
werden kann. Durch ein solches System wird erreicht, dass der Lenkwinkel
der lenkbaren Räder
eines Fahrzeugs in keinem festen Verhältnis zu dem Einschlagwinkel
des von Fahrer betätigten Lenkrades
stehen muss.
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Hierdurch
ist unter anderem eine lenkradwinkelabhängige Lenkhilfe des Fahrers
möglich
und daneben sind große
Variationsmöglichkeiten
gegeben, das Lenksystem mit zusätzlichen
Lenksignalen zu beaufschlagen. Bei den zusätzlichen Lenksignalen ist insbesondere
an eine Erhöhung
der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts gedacht.
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Bei
einer solchen mit Bewegungsüberlagerung
arbeitenden Servolenkung kann das Problem darin bestehen, daß durch
die Wahl eines konstanten Lenkgetriebeübersetzungsverhältnisses,
das bei der konstruktiven Gestaltung des Lenkgetriebes und des Überlagerungsgetriebes
festgelegt wird, nicht für
alle Fahrzustände
akzeptable Lenkradmomente bzw. ein gutes Lenkgefühl erreicht wird. Insbesondere
darf das Lenkradmoment bei großen
Lenkwinkeln im Stand nicht zu groß werden, während der Fahrt des Fahrzeugs
mit hoher Geschwindigkeit darf das Lenkradmoment jedoch nicht zu
klein werden.
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Ein Überlagerungslenkgetriebe
anderer Bauart ist der DE-OS 42 43 267 zu entnehmen.
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Lenkgetriebe
mit variabler Übersetzung
an sich sind aus dem Stand der Technik bekannt (siehe bspw. "EVOLUTION in der
Lenkungstechnologie" "Automobilindustrie
4/5-91, Seite 315 bis 321).
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Lenkung mit Bewegungsüberlagerung
das Lenkgefühl
des Fahrers zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein lenksystem mit den Merkmalen des Anspruch
1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Wie
schon erwähnt
geht die Erfindung aus von einem Lenksystem bzw. einer Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
mit wenigstens einer lenkbaren Achse, einem Stellglied und einem Überlagerungs- und
einem Lenkgetriebe. Das Überlagerungs-
bzw. Lenkgetriebe weisen jeweils eine mechanische Übersetzung
auf. Die lenkbare Achse, das Stellglied, das Überlagerungsgetriebe und das
Lenkgetriebe sind miteinander wirkungsgekoppelt verbunden. Mittels des Überlagerungsgetriebes
findet eine Überlagerung
der durch den Fahrer initiierten Lenkbewegungen mit den durch das
Stellglied initiierten Bewegungen statt. Die so erlangte Gesamtbewegung
wird dem Lenkgetriebe zugeführt,
die diese Gesamtbewegung als Lenkwinkel an die Räder der lenkbaren Achse weiterleitet.
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Der
Kern der Erfindung besteht nun darin, dass die mechanische Übersetzung
des Lenkgetriebes variabel ausgelegt ist und der durch das Stellglied
initiierte Drehwinkel abhängig
ist von dem Lenkradwinkel und der variabel ausgelegten mechanischen Übersetzung
des Lenkgetriebes. Die Erfindung besteht also in einer Kombination
eines Überlagerungsgetriebes
mit einem Lenkgetriebe bzw. mit einem Lenkmechanismus mit variabler Übersetzung. Durch
die erfindungsgemäße Kombination
gelangt man vorteilhafterweise zum einen zu beliebig einstellbaren
Zusammenhängen
zwischen den Lenkradbewegungen und den Lenkwinkeln der lenkbar ausgelegten
Räder,
ohne zum anderen auf ein gutes Lenkgefühl des Fahrers verzichten zu
müssen.
Insbesondere ergeben sich gegenüber
einem Überlagerungsgetriebe
mit konstanter Lenkgetriebeübersetzung
wesentlich günstigere
Lenkradmomente bzw. ein besseres Lenkgefühl.
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Die
Erfindung kann beispw. Verwendung finden bei Lenksystemen, wie sie
in der Eingangs erwähnten
DE-OS 40 31 316 oder in der DE-OS 42 43 267 genannt sind. Bei der
DE-OS 40 31 316 ist dabei an eine variable Übersetzung des in der dortigen 1 gezeigten
Lenksystems 6 gedacht, während in den DE-OS 42 43 267 an eine
variable Übersetzung des
in der dortigen 1 gezeigten Lenkgetriebes (L)
gedacht ist. Insbesondere ist als Vorteil der Erfindung zu nennen,
daß die
korrigierenden Lenkeingriffe bspw. zur Fahrzeugstabilisierung auch
mit der variabel ausgelegten Übersetzung
des Lenkgetriebes uneingeschränkt
möglich
sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Übersetzung
des Lenkgetriebes derart ausgelegt ist, daß die Übersetzung bei geringen Lenkwinkeln
kleiner ist als bei Lenkwinkeln größeren Ausmaßes. Durch diese Ausführungsform
der Erfindung wird das schon erwähnte gute
Lenkgefühl
des Fahrers ermöglicht.
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Die
durch den Fahrer initiierte Lenkbewegung kann durch den Lenkradwinkel
des vom Fahrer betätigten
Lenkrades repräsentiert
werden. Mittels des Überlagerungsgetriebes
wird dann diesem Lenkradwinkel ein durch das Stellglied initiierter
Drehwinkel überlagert.
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Nach
dem erwähnten
Stand der Technik wird dem Lenkradwinkel ein Drehwinkel des Stellgliedes überlagert,
wobei das Stellglied abhängig
von dem Lenkradwinkel und/oder abhängig von Fahrzeugbewegungen
angesteuert wird. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß der durch
das Stellglied initiierte Drehwinkel darüber hinaus abhängig ist
von der variabel ausgelegten mechanischen Übersetzung des Lenkgetriebes.
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Auf
die lenkbaren Räder
wirkt bekanntermaßen
ein Reaktionsmoment, das über
das Lenk- und das Überlagerungsgetriebe
als Lenkradmoment an dem vom Fahrer betätigten Lenkrad wirkt. Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass die mechanische Übersetzung
des Lenkgetriebes derart ausgelegt ist, dass dieses Reaktionsmoment
bei kleineren Lenkradwinkeln am Lenkrad weniger stark wirksam ist
als bei größeren Lenkradwinkeln.
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Weiterhin
ist eine Lenkvorrichtung für
ein Kraftfahrzeug dargestellt mit einem vom Fahrer betätigten Lenkrad,
das mit einer ersten Eingangswelle eines Überlagerungsgetriebes wirkverbunden
ist. Die Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes
steht dabei mit der Eingangswelle eines Lenkgetriebes in Wirkverbindung
und das Lenkgetriebe ist über
das Lenkgestänge
mit den lenkbaren Rädern
verbunden. Weiterhin weist das Überlagerungsgetriebe
eine zweite Eingangswelle auf, die mit dem Stellglied wirkverbunden
ist. Der Kern der Lenkverbindung besteht darin, dass die mechanische Übersetzung
des Lenkgetriebes variabel ausgelegt ist.
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Auch
bei der Lenkvorrichtung ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Übersetzung
des Lenkgetriebes derart ausgelegt ist, dass die Übersetzung
bei kleineren Drehungen der Eingangswelle des Lenkgetriebes kleiner
ist als bei größeren Drehungen
der Eingangswelle des Lenkgetriebes.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Geradeausfahrt
des Fahrzeugs nur ein geringer Energieverbrauch benötigt wird.
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Zeichnung
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Die 1 und 2 zeigen
schematisch bzw. anhand eines Blockbildes die Kombination eines Überlagerungsgetriebes
mit einem Lenkgetriebe wie es dem Stand der Technik entspricht.
Die 3 zeigt den Verlauf der erfindungsgemäß variabel
ausgelegten Übersetzung
des Lenkgetriebes, während die 4, 5 und 6 Drehwinkelverläufe bzw. Momentenverläufe an verschiedenen
Stellen des erfindungsgemäßen Systems
zeigen.
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Ausführungsbeispiel
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Im
folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert
erklärt
werden.
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In
den 1 und 2 ist dabei eine Kombination
eines Überlagerungsgetriebes
mit einem Lenkgetriebe bei einem Kraftfahrzeug zu sehen, wie es
aus dem eingangs erwähnten
Stand der Technik ist. Hierbei ist mit den Bezugszeichen 11 bzw. 21 das vom
Fahrer betätigte
Lenkrad bezeichnet. Der Fahrer bringt durch die Betätigung des
Lenkrades einen Lenkradwinkel δL und ein Lenkradmoment ML auf, das
dem Überlagerungsgetriebe 12 bzw. 22 zugeführt wird.
Mittels des Überlagerungsgetriebes 12 bzw. 22 wird
der vom Fahrer des Fahrzeugs initiierten Bewegung δL der
Drehwinkel δM des Stellmotors 13 bzw. 23 überlagert.
Die durch diese Überlagerung entstandene
Drehbewegung δL' wird
dem Lenkgetriebe 14 bzw. 24 durch dessen Eingangswelle
zugeführt.
Das Lenkgetriebe 14 bzw. 24 leitet dann diese überlagerte Bewegung δL an
die lenkbar ausgelegten Räder 15a und 15b zur
Einstellung eines Lenkwinkels δv weiter. Die mechanische Übersetzung
des Überlagerungsgetriebes 12 bzw. 22 für δM =
0 ist mit iü = δL'/δL und
die mechanische Übersetzung
des Lenkgetriebes 14 bzw. 24 mit den Bezugszeichen
iL bezeichnet. Auf die lenkbar ausgelegten
Räder 15a und 15b wirkt
das von der Straße
beeinflußte
Reaktionsmoment Mv. In der 2 sind
weiterhin mit dem Bezugszeichen 26 Sensoren gezeigt, die
Fahrzeugbewegungen wie beispw. Gierbewegungen sensieren. Die Sensorsignale
der Sensoren 26 werden mittels des Steuergerätes 27 zu
Ansteuersignalen des Stellmotors 23 verarbeitet. Darüberhinaus
ist mit den Bezugszeichen 28 ein Lenkradwinkelsensor gekennzeichnet,
dessen Signale dem Steuergerät 27 zugeführt werden.
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Zwischen
den in den 1 bzw. 2 dargestellten
Winkeln und Drehmomenten gelten die bekannten Zusammenhänge: δv = [δL/iü + δM]/iL (1)und ML = Mv/(iL·iü). (2)
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Eine
Servolenkfunktion wird durch das in den 1 und 2 gezeigte
Lenksystem dadurch erreicht, daß durch
eine große
Gesamtübersetzung (iL·iü),
d.h. durch eine sehr indirekte Lenkung, das Lenkradmoment ML reduziert wird. Dem Lenkradwinkel δL wird
ein Motorwinkel δM nach der o.g. Gleichung 1 überlagert,
so daß ein
gewünschter
Vorderradlenkwinkel δv mit einem nicht zu großen Lenkradwinkel eingestellt
werden kann. Dabei können
durch eine geeignete Ansteuerung des Motors beliebige Zusammenhänge zwischen
dem Lenkradwinkel und dem Lenkwinkel realisiert werden, die auch
vom Fahrzustand, bspw. der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem Lenkradwinkel,
abhängen
können.
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Nach
der o.g. Gleichung 2 ist das Lenkradmoment ML nur
von dem Reaktionsmoment Mv an den lenkbaren
Rädern
abhängig
und somit durch den Motoreingriff nicht beeinflußbar. Hierdurch ergibt sich das
schon erwähnte
Problem, daß durch
die Wahl eines konstanten Übersetzungsverhältnisses
des Lenkgetriebes kein für
alle Fahrzustände
akzeptables Lenkradmoment bzw. Lenkgefühl erreicht werden kann. Insbesondere
darf das Lenkradmoment ML bei großen Lenkwinkeln
im Stand nicht zu groß werden, während es
bei Fahrten mit hoher Geschwindigkeit nicht zu klein werden darf.
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Wie
in der 3 zu sehen ist, wird zur Entschärfung des
Problems vorgeschlagen, das Lenkgetriebe 14 bzw. 24 mit
einer variablen Übersetzung zu
versehen. Die 3 zeigt dabei die Übersetzung iL des Lenkgetriebes 14 bzw. 24 abhängig von
dem Eingangsdrehwinkel δL'.
Im Bereich kleiner Eingangsdrehwinkel δL' wird die Übersetzung
iL geringer gewählt als bei größeren Eingangsdrehwinkeln.
Die Übersetzung
des Lenkgetriebes 14 bzw. 24 ist also hubabhängig. Zur
beispielhaften mechanischen Ausgestaltung eines solchen hubabhängig übersetzten Lenkgetriebes
soll auf den Eingangs erwähnten
Artikel "Evolution
in der Lenkungstechnologie" Automobil-Industrie
4/5-91, Seiten 315 bis 321 verwiesen werden.
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Durch
eine wie in der 3 gezeigte hubabhängige Lenkgetriebeübersetzung
iL gelangt man zu den in den 4–6 gezeigten
Verläufen.
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In
der 4a ist dazu der Lenkwinkel δv in Abhängigkeit
von dem Lenkradwinkel δL dargestellt. Im unteren Kurvenverlauf der 4a wird
davon ausgegangen, daß die
durch den Stellmotor 13 bzw 23 initiierte Drehbewegung δM gleich
Null ist. So gelangt man zu dem in der unteren Kurve der 4a dargestellten,
nicht linearen Zusammenhang zwischen den Drehbewegungen δL und δv.
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In
der 4b wird die vom Stellmotor 13 bzw 23 initiierte
Drehbewegung δM in Abhängigkeit
von dem Lenkradwinkel δL aufgezeigt, wobei angenommen wird, daß ein linearer
Zusammenhang zwischen δL und δv hergstellt werden soll. Nach dem Stand
der Technik (iL = konstant) wird zur Unterstützung der Lenkradbewegung δL eine
proportionale Bewegung δM überlagert.
Dies ist im oberen groben Verlauf der 4b zu
sehen. Wählt
man nun erfindungsgemäß die Übersetzung
iL des Lenkgetriebes 14 bzw. 24 variabel
(3), so wird erfindungsgemäß der Stellmotor 13 bzw. 23 durch
das Steuergerät 27 in
Abhängigkeit
von der Lenkradbewegung δL, wie im unteren Verlauf der 4b zu
sehen, angesteuert.
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Durch
die im unteren Kurvenverlauf der 4b gezeigten
Ansteuerung des Stellmotors 13 bzw 23 gelangt
man zu der im oberen Kurvenverlauf der 4a gezeigten
Abhängigkeit
zwischen dem Lenkwinkel δv und dem Lenkradwinkel δL. Diese
Abhängigkeit
ist wie gewünscht
im wesentlichen linear.
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Durch
eine entsprechende Ansteuerung des Stellmotors 13 bzw 23 (4b unterer
Verlauf) gelangt man quasi zu einer "Kompensation" der variabel ausgelegten Übersetzung
iL des Lenkgetriebes (3)
bzgl. der Drehwinkel.
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Das
heißt,
daß der
Fahrer bzgl. der Verknüpfung
des Lenkradwinkels δL und des Lenkwinkels δv durch
die variable Übersetzung
iL gegenüber
dem Stand der Technik keine Veränderung
spürt.
Dies ist auch anhand der o.g. Gleichung 1 zu sehen.
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Anders
verhält
es sich dagegen, wenn man die entsprechenden Momente betrachtet.
Hier ist in der 5 das Lenkradmoment ML gegenüber
dem an den lenkbaren Rädern
wirkenden Reaktionsmoment Mv dargestellt.
Wie anhand der Gleichung 2 zu sehen ist, verändert sich der lineare Zusammenhang zwischen
den in der 5 dargestellten Momenten in
Abhängigkeit
von der Übersetzung
iL des Lenkgetriebes und somit in Abhängigkeit
von dem Lenkradwinkel δL.
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Eine
andere Darstellung dieses Sachverhalts ist der 6 zu
entnehmen. Hier ist das Lenkradmoment ML in
Abhängigkeit
von dem Lenkradwinkel δL in dem Fall dargestellt, in dem das Reaktionsmoment
Mv als konstant angenommen wird. Man erkennt
anhand der 6 deutlich, daß bei konstantem Reaktionsmoment
Mv das vom Fahrer wahrnehmbare Lenkradmoment
ML im Bereich kleiner Lenkradwinkel größer ist
als im Bereich großer
Lenkradwinkel.
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Man
hat also durch die erfindungsgemäße variabel
ausgelegte Übersetzung
des Lenkgetriebes 14 bzw. 24 einerseits und durch
die entsprechenden Ansteuerung des Stellmotors 13 bzw. 23 andererseits
erreicht, daß große Lenkradmomente
bei großen
Lenkwinkeln im Stand vermieden werden, ohne jedoch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten
und kleinen Lenkradwinkeln das gute Lenkgefühl des Fahrers (hohe Lenkradmoment)
zu verlieren.
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Eine
hubabhängige Übersetzung
des Lenkgetriebes kann zum Beispiel, wie in den schon erwähnten Artikeln
beschrieben, mit Zahnstangengetrieben realisiert werden. Eine andere
Möglichkeit, das Übersetzungsverhältnis hubabhängig zu
machen, besteht in einer geeigneten Gestaltung des Mechanismus zwischen
Lenkgetriebe und Rädern.