DE19644528C1 - Lenkung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkung für Kraftfahrzeuge, mit zur Lenkverstellung mechanisch über eine Lenkgetriebeanord­ nung an eine Lenkhandhabe bzw. ein Lenkhandrad gekoppelten Fahrzeuglenkrädern und einer Lenkungsdämpferanordnung, durch die auf die Fahrzeuglenkräder einwirkende dynamische Stör­ kräfte bzw. Stöße gedämpft und abgeschwächt auf die Lenkhand­ habe bzw. das Lenkhandrad übertragen werden.

Bei derzeit üblichen Kraftfahrzeugen sind Lenkhandhabe bzw. Lenkhandrad und Fahrzeuglenkräder über einen mechanischen Durchtrieb miteinander antriebsmäßig zur Lenkverstellung zwangsgekoppelt. Aufgrund der außerordentlich hohen Zuverläs­ sigkeit mechanischer Systeme wird damit höchste Sicherheit geboten. Allerdings muß in Kauf genommen werden, daß auf die Fahrzeuglenkräder einwirkende Störkräfte bzw. Stöße auch an der Lenkhandhabe bzw. am Lenkhandrad fühlbar werden. Um die Stoßempfindlichkeit des Lenksystems zu vermindern, sind Len­ kungsdämpferanordnungen bekannt und üblich.

Unabhängig davon, ob die jeweilige Fahrzeuglenkung mit Servo­ unterstützung arbeitet oder nicht, können sogenannte externe Lenkungsdämpfer vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich re­ gelmäßig um hydraulische Schwingungsdämpfer, die im Prinzip als doppeltwirkende Kolben-Zylinder-Aggregate ausgebildet sind, deren Zylinder mit dem Chassis oder Lenkgetriebeteilen und deren Kolben mit Lenkgetriebeteilen oder dem Chassis ver­ bunden sind. Bewegungen des Lenksystems führen zu einer Ver­ schiebung des Kolbens relativ zum Zylinder, wobei Hydraulik­ medium gegen den Widerstand von Dämpferventilen von einer Hy­ draulikkammer in eine andere Hydraulikkammer überströmt.

Bei hydraulischen Servolenkungen ist es bekannt, den regelmä­ ßig als doppeltwirkendes Kolben-Zylinder-Aggregat ausgebilde­ ten Servomotor auch als Lenkungsdämpfer wirken zu lassen, in­ dem die Leitungen, die den Servomotor mit dem Servoventil der Servolenkung verbinden, mit Dämpferventilen bestückt sind.

Bei der Abstimmung von Lenkungsdämpfersystemen der vorange­ hend beschriebenen Art muß regelmäßig ein Kompromiß eingegan­ gen werden. Der Drosselwiderstand der Dämpferventile wirkt auch normalen Betätigungen der Lenkung entgegen. Zwar wird dies im Falle einer Servolenkung bei einer fahrerseitigen Be­ tätigung der Lenkhandhabe bzw. des Lenkhandrades durch die Servounterstützung kompensiert. Jedoch entfällt diese Servo­ unterstützung im Falle einer durch die Lenkkinematik bewirk­ ten Rückstellung der Lenkung in die Geradeausstellung bei der Fahrt des Fahrzeuges. Denn bei solchen Situationen werden zwischen Lenkhandhabe bzw. Lenkhandrad und Fahrzeuglenkrädern regelmäßig nur geringe Kräfte bzw. Momente übertragen, welche nicht ausreichend sind, um das Servoventil aus seiner Neu­ trallage auszulenken, in der der Servomotor lediglich frei beweglich ist, jedoch keine das jeweilige Lenkmanöver unter­ stützende Servokraft erzeugt. Durch eine für starke Stöße an sich wünschenswerte harte Dämpfereinstellung kann eine an sich wünschenswerte Rückstellneigung der Fahrzeuglenkung also behindert oder sogar unterdrückt werden.

Aus der DE 44 46 123 A1 ist eine Vorrichtung zur Einwirkung auf die an der Lenkung wirksamen Kräfte bekannt. Dabei sind im hydraulischen Servosystem der Lenkung in besonderen Be­ triebssituationen einschaltbare Drosselelemente vorgesehen, mit denen ein hydraulischer Widerstand erzeugt werden kann, welcher die Lenkung schwergängig macht. Dadurch kann eine un­ erwünschte selbständige Verstellung der Lenkung verhindert werden. Beispielsweise tritt bei schweren Fahrzeugen beim Ab­ schalten des Fahrzeugmotors und der damit einhergehenden Ab­ schaltung der Servopumpe eine extrem starke Rückstellneigung der Lenkung auf. Dies beruht darauf, daß das Fahrzeug beim Einschlagen der gelenkten Fahrzeugräder mehr oder weniger stark aufgrund der jeweiligen Lenkkinematik angehoben wird und dementsprechend das Fahrzeuggewicht zu erheblichen Rück­ stellkräften führt, gegen die der Fahrer die Lenkhandhabe bei ausbleibender Servounterstützung nicht ohne weiteres zu hal­ ten vermag. Des weiteren kann die Fahrzeuglenkung auch dann vorübergehend schwergängig gemacht werden, wenn der Reifen eines gelenkten Fahrzeugrades platzen sollte. Auf diese Weise kann in solchen Fällen ein Verreißen der Lenkung vermieden werden. Die DE 44 46 123 A1 enthält keine näheren Angaben über die Sensorik zur Erfassung der besonderen Betriebsum­ stände, bei denen die Fahrzeuglenkung schwergängig gemacht werden soll.

Aus der DE 195 11 091 A1 ist ein schaltbarer Lenkungsdämpfer bekannt, wobei vorgesehen ist, diesen Lenkungsdämpfer vor­ übergehend unwirksam zu schalten, wenn die vom Fahrer aufzu­ bringenden Lenk- bzw. Haltekräfte andernfalls übermäßig groß würden. Hier wird der Tatsache Rechnung getragen, daß ein Lenkungsdämpfer im wirksamen Zustand auch als Lenkwiderstand wirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein neues Konzept für die Dämpfung einer Lenkung der eingangs angegebenen Art aufzuzei­ gen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß verzö­ gerungsarm bzw. verzögerungsfrei steuerbare Dämpferelemente vorgesehen und durch Signale von im Vergleich zur Dämpferan­ ordnung radnah an Lenkgetriebeelementen angeordneten bzw. radnahen Lenkgetriebeelementen zugeordneten Stoßsensoren für kurze, zur Dämpfung eines Einzelstoßes ausreichende Zeit ein­ schaltbar bzw. auf hohe Dämpfungswirkung umschaltbar sind und diese Ein- bzw. Umschaltung erfolgt, bevor sich der Stoß bis zur Dämpferanordnung fortgepflanzt hat.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei der Steuerung der Dämpferelemente der Lenkung die zeitliche Ver­ zögerung zwischen der Stoßbewegung eines Fahrzeuglenkrades und den dadurch verursachten stoßartigen Bewegungen von Lenk­ getriebeteilen sowie der Lenkhandhabe bzw. des Lenkhandrades auszunutzen, indem beim Auftreten einer Stoßbewegung eines Fahrzeuglenkrades die Dämpfungseinstellung einer Lenkungs­ dämpferanordnung erhöht wird, bevor sich die Stoßbewegung vollständig bis zu dieser Lenkungsdämpferanordnung fortge­ pflanzt hat. Damit wird die Möglichkeit geboten, die hohe Dämpferwirkung lediglich für eine kurze, zur Dämpfung der Stoßfortpflanzung ausreichende Zeitspanne in der Größenord­ nung der Stoßdauer einzuschalten, und zwar auf eine ver­ gleichsweise hohe Dämpfungsrate. Aufgrund der kurzen, nur der Stoßdauer entsprechenden Einschaltzeiten mit hoher Dämpfungs­ rate bleibt die Lenkung leichtgängig und insbesondere hin­ sichtlich ihrer Rückstellneigung von den Maßnahmen zur Len­ kungsdämpfung unbeeinflußt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die steuerbaren Dämpferelemente auch in Abhängigkeit von wei­ teren Parametern betätigt. So kann vorgesehen werden, die Grundeinstellung eines Dämpferelementes mit zunehmender Fahr­ geschwindigkeit im Sinne einer erhöhten Dämpfungsrate zu ver­ ändern. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß bei hohen Fahrgeschwindigkeiten Stöße in der Lenkung für den Fah­ rer besonders störend sind. Außerdem wird die Lenkung auf diese Weise bei höherer Fahrgeschwindigkeit etwas schwergän­ giger, wodurch die Gefahr eines Überlenkens geringer wird.

Des weiteren kann die Außentemperatur oder die Temperatur des Hydraulikmediums berücksichtigt werden, d. h. es wird ein mit der Viskosität des Hydraulikmediums korrelierter Parameter erfaßt.

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

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schaltplanartige, schematisierte Darstellung einer hydraulischen Servolenkung mit integrierter Lenkungsdämpfung, deren Dämpferventile erfindungs­ gemäß stoßabhängig steuerbar sind,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung eines ersten Stoß­ sensors und

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung eines abgewandelten Stoßsensors.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein nicht näher dargestelltes Kraftfahr­ zeug vordere Fahrzeuglenkräder 1, die im dargestellten Bei­ spiel über Spurstangen 2 mit einer Zahnstange 3 verbunden sind, welche gleichachsig in die Kolbenstange eines als Ser­ vomotor angeordneten doppeltwirkenden Kolben-Zylinder- Aggregates 4 übergeht bzw. mit der Kolbenstange verbunden ist.

Die Zahnstange 3 kämmt mit einem Ritzel 5, welches über eine Lenksäule 6 mit einem Lenkhandrad 7 antriebsmäßig verbunden ist. In der Lenksäule 6 ist ein drehelastisches Element 8 an­ geordnet, so daß zwischen Ritzel 5 und Lenkhandrad 7 eine be­ grenzte Relativdrehung auftreten kann, deren Maß von den zwi­ schen Ritzel 5 und Lenkhandrad 7 übertragenen Kräften und Mo­ menten abhängig ist.

Diese Relativdrehung steuert ein Servoventil 9, welches über Motorleitungen 10 mit den beiden Kammern des Kolben-Zylinder- Aggregates 4 und andererseits mit der Druckseite einer Hy­ draulikpumpe 11 sowie einem relativ drucklosen Hyderaulikre­ servoir 12 verbunden ist, an das die Saugseite der Pumpe 11 angeschlossen ist.

In der dargestellten Mittellage des Servoventiles 9 sind die beiden Kammern des Kolben-Zylinder-Aggregates 4 miteinander sowie mit dem Reservoir 12 verbunden. Außerdem kann eine Ver­ bindung zur Druckseite der Pumpe 11 bestehen, welche dann ständig laufen kann.

Statt dessen ist es auch möglich, daß in der Mittelstellung des Servoventiles 9 der Ventilanschluß zur Druckseite der Pumpe 11 abgesperrt ist, welche in diesem Falle über ein Rückschlagventil 13 einen Druckspeicher 14 laden kann und in Abhängigkeit vom Ladedruck gesteuert bzw. bei hohem Ladedruck ausgeschaltet wird.

Sobald zwischen Ritzel 5 und Lenkhandrad 7 Kräfte bzw. Drehmomente wirksam sind, wird das Servoventil 9 in der einen oder anderen Richtung aus seiner Mittellage verschoben, mit der Folge, daß zwischen den Motorleitungen 12 eine mehr oder weniger große Druckdifferenz in der einen oder anderen Rich­ tung und damit eine mehr oder weniger große Servokraft des Kolben-Zylinder-Aggregates 4 in der einen oder anderen Rich­ tung erzeugt und die jeweils am Lenkhandrad 7 für ein Lenkma­ növer aufzubringende Handkraft entsprechend vermindert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lenkung übernimmt das als Servomo­ tor dienende Kolben-Zylinder-Aggregat 4 auch die Funktion ei­ nes Lenkungsdämpfers zur Dämpfung schneller Lenkwinkelände­ rungen der Fahrzeuglenkräder 1. Zu diesem Zweck sind an den Anschlüssen der Leitungen 10 am Kolben-Zylinder-Aggregat 4 oder am Servoventil 9 jeweils Dämpferventile 15 angeordnet, welche in weiter unten dargestellter Weise stoßabhängig arbei­ ten.

In Fig. 1 sind die Dämpferventile 15 als verstellbare Dros­ seln dargestellt, welche durch ein elektronisches Steuergerät 16 gesteuert werden. Entsprechend ihrem Drosselwiderstand be­ wirken die Dämpferventile 15 eine Dämpfung von schnellen Be­ wegungen des Kolbens des Kolben-Zylinder-Aggregates 4, so daß schnelle Lenkverstellungen der Fahrzeuglenkräder 1 durch Stö­ ße od. dgl. sowie damit einhergehende stoßartige Bewegungen des Lenkhandrades 7 gedämpft werden.

Das Steuergerät 16 ist eingangsseitig mit Stoßsensoren 17 verbunden, die im Beispiel der Fig. 1 an den Spurstangen 2 angeordnet sind und auf Stöße in Axialrichtung der Spurstan­ gen 2 reagieren.

Außerdem kann das Steuergerät 16 weitere Eingänge haben, um zusätzliche Parameter bei der Steuerung der Dämpferventile 15 berücksichtigen zu können. Beispielsweise kann ein Signalge­ ber 18, z. B. ein Tachometersystem, die jeweilige Fahrge­ schwindigkeit des Fahrzeuges melden, während ein Signalgeber 19 die Temperatur des Hydraulikmediums im Kolben-Zylinder- Aggregat 4 anzeigt.

Das in Fig. 1 dargestellte System arbeitet wie folgt:
In Abhängigkeit von den Signalen der Signalgeber 18 und 19 und damit in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrgeschwindig­ keit sowie der Temperatur des Hydraulikmediums im Kolben- Zylinder-Aggregat 4 werden die Dämpferventile 15 auf eine Grunddämpfung, d. h. auf einen Grundwert ihres Drosselwider­ standes eingestellt. Damit wird der Tatsache Rechnung getra­ gen, daß in der Regel ein Lenksystem eines Kraftfahrzeuges auch dann, wenn nennenswerte Fahrbahnstöße od. dgl. nicht zu erwarten sind, schwach gedämpft sein sollte.

Sobald einer der Stoßsensoren 17 eine stoßartige Bewegung der jeweils zugeordneten Spurstange 2 meldet, werden die Dämpfer­ ventile 15 vom Steuergerät 16 sofort für eine kurze Zeitspan­ ne auf einen vergleichsweise hohen Drosselwiderstand umge­ steuert um eine entsprechend stoßartige Bewegung des Kolbens des Kolben-Zylinder-Aggregates 4 sowie der Zahnstange 3 und des damit antriebsverbundenen Lenkhandrades 7 zu verhindern bzw. abzumildern. Die genannte Zeitspanne ist äußerst kurz bemessen und entspricht etwa der Stoßdauer, derart, daß le­ diglich die von einem Stoßsensor 17 zuletzt gemeldete Stoßbe­ wegung "aufgefangen" wird. Dementsprechend kann der vorüber­ gehend eingestellte Drosselwiderstand der Dämpferventile 15 extrem hoch sein und gegebenenfalls einer vorübergehenden hy­ draulischen Blockade des Kolben-Zylinder-Aggregates 4 nahe­ kommen. Auf diese Weise lassen sich Stöße besonders wirksam dämpfen, gleichwohl bleibt der von den Dämpferventilen 15 im Normalfall bewirkte Lenkwiderstand sehr gering.

Bei der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, daß die sehr radnah angeordneten Stoßsensoren 17 Lenkstöße an den Fahrzeu­ glenkrädern 1 besonders früh "bemerken", d. h. bevor sich der Stoß vollständig auf das Kolben-Zylinder-Aggregat 4 übertra­ gen hat. Durch die unverzügliche Hochschaltung des Drosselwi­ derstandes der Dämpferventile 15 nach Sensierung eines Stoßes kann dann die Stoßübertragung auf das Lenkhandrad 7 deutlich vermindert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Stoßsensoren 17 derart ausgelegt sein, daß sie nur solche Stöße melden, deren Stoßkraft einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dies ist gleichbedeutend damit, daß schwächere Stöße jeweils nur entsprechend der vorgesehenen Grunddämpfung abgemildert werden und der Fahrer am Lenkhandrad 7 ein gutes Gefühl für die jeweiligen Fahrbahnverhältnisse erhält. Starke und für den Fahrer an sich unangenehme Stöße werden dagegen vom Lenkhandrad 7 nur noch deutlich abgemildert weitergege­ ben, da in diesem Falle die Dämpferventile 15 eine deutliche Stoßminderung bewirken.

Die Fig. 2 zeigt nun ein erstes Beispiel für eine mögliche Konstruktion der Stoßsensoren 17.

In einem Gehäuse 20 ist eine Axialbohrung 21 ausgebildet, die einen Trägheitskörper 22 beweglich aufnimmt. Der Trägheits­ körper 22 ist gegenüber stirnseitigen Böden des Gehäuses 20 durch Schraubendruckfedern 23 abgestützt, deren Federspannung so bemessen ist, daß der Trägheitskörper 22 seine in Fig. 2 dargestellte Mittellage relativ zum Gehäuse 20 nur bei Ein­ wirkung größerer Trägheitskräfte nennenswert verläßt. An den Stirnenden des Gehäuses 20 sind elektrische Schalter 24 ange­ ordnet, welche im Normalfall elektrisch offen (oder elek­ trisch geschlossen) sind und elektrisch geschlossen (oder elektrisch geöffnet) werden, sobald der Trägheitskörper 22 den jeweiligen Schalter 24 berührt.

Das Gehäuse 20 wird derart an einer der Spurstangen 2 befe­ stigt, daß die Axialbohrung 21 parallel zur Längsachse der jeweiligen Spurstange 2 ausgerichtet ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Stoßsensor 17 unterscheidet sich vom Sensor der Fig. 2 im wesentlichen dadurch, daß er an ei­ ner einzigen Schraubenfeder 25 befestigt ist, deren anderes Ende an einem stirnseitigen Boden des Gehäuses 20 gehaltert ist, so daß die Feder 25 je nach Bewegungsrichtung des Träg­ heitskörpers 22 auf Druck oder Zug belastet wird. Bei der Einwirkung hinreichender Trägheitskräfte schaltet dann der Trägheitskörper 22 wiederum einen der Schalter 24.

Gegebenenfalls können anstelle der Schalter 24 bei den Stoß­ sensoren 17 der Fig. 2 und 3 auch jeweils Signalgeber, bei­ spielsweise piezoelektrische Signalgeber, angeordnet sein, die bei Berührung durch den Trägheitskörper 22 ein Signal er­ zeugen.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, stoßartige Lenk­ bewegungen der Fahrzeuglenkräder 1 berührungsfrei zu erfas­ sen. Beispielsweise kann der Querabstand eines Radbereiches relativ zu einem am Chassis des Fahrzeuges festen Teil durch eine "Radaranordnung" erfaßt werden.

Außerdem ist es möglich, an den Spurstangen 2 Strichmuster od. dgl. vorzusehen und deren Bewegungen relativ zum Chassis des Fahrzeuges durch optische Sensoren zu erfassen.

Das Steuergerät 16 überwacht sich ständig auf Fehlfunktion. Sollte eine Fehlermeldung auftreten, können den Dämpferventi­ len 15 zugeordnete selbsthemmungsfreie Stellorgane (nicht dargestellt) ausgeschaltet werden und (nicht dargestellte) Stellfedern automatisch zur Wirkung kommen, die die Dämpfer­ ventile 15 auf einen mittleren Drosselwiderstand einstellen und in diesem Zustand halten, derart, daß die Lenkung in kon­ ventioneller Weise dauernd gleichbleibend bedämpft wird.

Das Kolben-Zylinder-Aggregat 4 kann, abweichend von der Dar­ stellung in Fig. 1, auch einen externen Lenkungsdämpfer bil­ den. Hierzu müssen die beiden Kammern des Aggregates 4 über zumindest ein steuerbares Dämpferventil 15 unmittelbar mit­ einander kommunizieren.

Claims (5)

1. Lenkung für Kraftfahrzeuge, mit zur Lenkverstellung mecha­ nisch über eine Lenkgetriebeanordnung (2, 3, 5, 6) an eine Lenk­ handhabe bzw. ein Lenkhandrad (7) gekoppelten Fahrzeuglenkrä­ dern (1) und einer Lenkungsdämpferanordnung (4, 15), durch die auf die Fahrzeuglenkräder einwirkende dynamische Störkräfte bzw. Stöße gedämpft und abgeschwächt auf die Lenkhandhabe bzw. das Lenkhandrad übertragen werden, wobei verzögerungsarm bzw. verzögerungsfrei steuerbare Dämp­ ferelemente (15) vorgesehen und durch Signale von im Ver­ gleich zur Dämpferanordnung (4, 15) radnah an Lenkgetriebeele­ menten (2) angeordneten bzw. radnahen Lenkgetriebeelementen zugeordneten Stoßsensoren (17) für kurze zur Dämpfung eines Einzelstoßes ausreichende Zeit einschaltbar bzw. auf hohe Dämpfungswirkung umschaltbar sind und diese Ein- bzw. Um­ schaltung erfolgt, bevor sich der Stoß bis zur Dämpferanord­ nung (4, 15) fortgepflanzt hat.

2. Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Spurstangen (2) der Lenkung Trägheitssensoren (17) mit in axialer Richtung der jeweiligen Spurstange empfindlicher Sensorik (24) angeordnet sind.

3. Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen von Lenkgetriebeteilen, z. B. Spurstangen (2), berührungsfrei registriert werden.

4. Lenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkungsdämpferanordnung ein hydraulisches Verdrän­ geraggregat (4) mit zumindest zwei ihr Volumen bei Verdrän­ gerhüben gegensinnig ändernden Kammern aufweist, welche mit­ einander und/oder mit hydraulischen Zu- bzw. Abflüssen (11, 12, 14) über steuerbare Dämpferventile (15) kommunizieren.

5. Lenkung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpferventile (5) bei Registrierung eines Stoßes kurzzeitig zumindest nahezu vollständig schließbar sind.