DE19838490A1 - Lenksystem mit hydraulischer Rückfallebene - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem am Lenkgetriebe (20) der gelenkten Räder (13, 14) angebrachten elektromotorischen Lenksteller (17), einem mit dem Lenksteller (17) über ein Regelsystem verbundenen, den Lenkwunsch des Fahrers erfassenden Geber, der am Lenkrad (1) angebracht ist, und einem Notlenkkreis (5-11, 15), der bei sicherheitsrelevanten Störungen oder einem Ausfall des Lenkstellers (17) und/oder des Gebers oder des Regelsystems einen diese Komponenten überbrückenden oder außer Funktion setzenden Notlenkbetrieb ermöglicht, der sich durch einen geschlossenen Hydraulikkreis, bestehend aus einer ersten Hydraulikkolbeneinheit (5, 6) mit einem mit der Lenkradbewegung verschiebbaren Kolben, wenigstens einer mit der ersten Hydraulikkolbeneinheit (5, 6) durch Hydraulikleitungen verbundenen radseitigen zweiten Hydraulikkolbeneinheit (15), die eine die Lenkstellung der Räder (13, 14) stellenden verschiebbaren Kolben hat, und Schaltmittel (3; 9) auszeichnet, die im Notlenkbetrieb die Wirkverbindung oder den Kraftschluß des hydraulischen Notlenkkreises zwischen dem Lenkrad (1) und der gelenkten Achse bzw. den Rädern ein- und im Normalbetrieb abschalten.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem am Lenkgetriebe eines gelenkten Rades bzw. an den Lenkgestängen der gelenkten Räder angebrachten elektromotorischen Lenksteller, einem mit dem Lenksteller über ein Regelsystem verbundenen, den Lenkwunsch des Fahrers erfassenden Geber, der am Lenkrad angebracht ist, und einem Notlenkkreis, der bei sicherheitsrelevanten Störungen oder einem Ausfall des oder der Lenksteller und/oder des Gebers oder des Regelsystems einen diese Komponenten überbrückenden oder außer Funktion setzenden Notlenkbetrieb ermöglicht.

Ein derartiges Lenksystem ist aus DE 195 40 956 C1 bekannt. Ein Lenksystem dieser Art wird allgemein als ein SBW-Lenksystem (steer-by-wire) bezeichnet. Die Lenkung der gelenkten Räder geschieht dabei ohne eine definierte mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern durch einen elektromotorischen Lenksteller, der am Lenkgetriebe der Vorderachse oder an beiden Vorderrädern angebracht ist. Der Fahrerlenkwunsch wird am Lenkrad durch einen Geber abgegriffen. Die Rückwirkungen der Straße können dem Fahrer durch einen am Lenkrad angebrachten Simulator bzw. Rückstellmotor übermittelt werden.

Sicherheitstechnisch ist ein solches SBW-System als kritisch anzusehen, wenn keine beim Ausfall seine Funktion einfach abschaltenden Mittel vorgesehen sind. Für diesen Fehlerfall muß also eine zusätzliche "Rückfallebene" vorgesehen sein, die es erlaubt, das Fahrzeug im Notbetrieb weiterzulenken. Dabei können Einbußen des Lenkkomforts in Kauf genommen werden.

Die Rückfallebene des in der oben genannten DE 195 40 956 C1 beschriebenen Lenksystems ist mit einer mechanischen Antriebsverbindung zwischen dem Lenkrad und einer Lenkgetriebeanordnung zur Lenkbetätigung der Fahrzeugräder versehen. Diese mechanische Antriebsverbindung läßt sich durch Öffnen einer Kupplung auftrennen, wobei in diesem Fall die Lenkhandhabe lediglich mit der Lenkgetriebeanordnung gekoppelt ist, und erlaubt, daß in Abhängigkeit von einem Stellhub- und/oder einer Stellgeschwindigkeit der Lenkhandhabe Sollwerte für den Lenkwinkel der Fahrzeuglenkräder vorgegeben werden können. Dem Sicherheitsaspekt ist bei dem bekannten Lenksystem dadurch Rechnung getragen, daß sich die Kupplung ohne weiteres in ihren geschlossenen Zustand versetzen läßt, womit der mechanische Durchtrieb zwischen der Lenkhandhabe, d. h. dem Lenkrad, und den gelenkten Fahrzeugrädern, sobald Fehler in der Regelstrecke auftreten, wiederherstellbar ist.

Aufgaben und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Lenksystem mit einem flexibleren Notlenkkreis durch den Einsatz einer hydraulischen Rückfallebene zu ermöglichen.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung dient als Rückfallebene, d. h. als Notlenkkreis, ein geschlossener Hydraulikkreis, der aus einer ersten Hydraulikkolbeneinheit besteht, die einen mit der Lenkradbewegung verschiebbaren Kolben hat, und die durch Hydraulikleitungen mit wenigstens einer zweiten radseitigen Hydraulikkolbeneinheit verbunden ist, die einen die Lenkstellung der Räder bzw. des zugehörigen Rades einstellenden verschiebbaren Kolben haben bzw. hat. Der Notlenkkreis weist ferner Schaltmittel auf, die im Notlenkbetrieb den Kraftschluß des hydraulischen Notlenkkreises zwischen dem Lenkrad und der gelenkten Achse bzw. den gelenkten Rädern ein- und im Normalbetrieb abschalten. Somit sind beide Seiten dieser Hydraulikkolbeneinheiten durch Hydraulikleitungen miteinander verbunden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist eine der beiden Hydraulikkolbeneinheiten im Normalbetrieb durch ein Bypassventil überbrückt. Dieses Bypassventil wird im Fehler- oder Störungsfall durch ein elektrisches Ventil abgeschaltet. Dieses Ventil muß stromlos geschlossen sein, um bei Ausfall des Bordnetzes die Rückfallebene starten zu können.

Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform weisen die Schaltmittel eine zwischen dem Lenkrad und der hydraulischen Notlenkeinheit liegende Kupplung auf. Im Normalbetrieb des Lenksystems ist der gesamte Notlenk-Hydraulikkreis vom Lenkrad abgetrennt. Die Kupplung ist somit im Normalbetrieb offen und wird im Fehlerfall geschlossen. Auch hier muß das Schließen der Kupplung stromlos erfolgen, um auch bei Ausfall des Bordnetzes die Rückfallebene aktivieren zu können.

Die Schaltmittel, d. h. das Bypassventil oder die Kupplung können funktionell mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden sein, die Signale, die Störungen oder den Ausfall der Komponenten des Regelsystems, des Lenkstellers und/oder des Gebers betreffen, erkennt oder erzeugt und die ein Schaltsignal erzeugt, mit dem das Bypassventil für den Notlenkbetrieb geschlossen oder die Kupplung geschlossen wird.

Durch gezielte Auslegung der Kolbenquerschnitte der ersten und zweiten Hydraulikkolbeneinheit kann eine Lenkübersetzung hergestellt werden, die es dem Fahrer erlaubt, trotz Ausfall der Servounterstützung das Fahrzeug zu lenken.

Überwachungsmittel, die den geschlossenen, d. h. nicht defekten, Zustand des hydraulischen Notlenkkreises überwachen, können mittels eines kleinen Federspeichers realisiert werden, der einen definierten Druck im Hydraulikkreis herstellt. Dieser definierte Druck läßt sich mit einem Sensor überwachen und damit eine evtl. Leckage erkennen.

Bei einer erweiterten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenksystems wird jedes Rad durch einen separaten elektromotorischen Lenksteller gelenkt. Dementsprechend besitzt auch jedes Rad eine eigene Hydraulikkolbeneinheit des Notlenkkreises, die konstruktiv mit dem Elektromotor des Lenkstellers so gekoppelt ist, daß bei Ausfall der Elektromotoren die Räder über die Hydraulikkolbeneinheit des Notlenkkreises gelenkt werden können.

Die beiden Elektromotoren, die zur Lenkung der gelenkten Räder dienen, sind so ausgelegt, daß sie diese Räder bei Fahrzeugstillstand bewegen können. Bewegt sich das Fahrzeug, nehmen die Radkräfte stark ab, so daß jeweils einer der beiden Elektromotoren beide Räder, im Regelfall die Vorderräder, lenken kann. Durch den geschlossenen Hydraulikkreis ist automatisch eine Kopplung der beiden Räder sichergestellt, so daß das Rad, bei dem der Elektromotor ausgefallen ist, automatisch durch den anderen Elektromotor über den hydraulischen Notlenkkreis mitgelenkt wird. Dabei ist das Bypassventil weiterhin offen (auf Durchgang). Somit können die Räder weiterhin unabhängig von der Lenkradstellung gelenkt werden. Erst wenn beide Elektromotoren ausgefallen sind, wird das Bypassventil geschlossen (hydraulisch unterbrochen), und damit sind die Räder über die ihnen zugeordneten Hydraulikkolbeneinheiten lenkbar. Auf diese Weise stehen zwei Rückfallebenen zur Verfügung:

• 1. Bei Ausfall eines Elektromotors werden beide Räder durch den verbleibenden funktionierenden Elektromotor gelenkt. Die Kopplung der Räder erfolgt automatisch durch die hydraulische Rückfallebene.
• 2. Bei Ausfall beider Elektromotoren wird durch Schließen des Bypassventils oder der Kupplung der direkte Zugriff des Lenkrads auf die zweiten Hydraulikkolbeneinheiten hergestellt.

Insgesamt erzielt das erfindungsgemäße Lenksystem die Vorteile, daß keine starre mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenksteller notwendig ist. Das bedeutet eine weitgehende Freiheit bei der Konstruktion und der Auslegung des Sicherheitssystems. Weiterhin ist für den Notlenkbetrieb durch gezielte Auslegung der Kolbenquerschnitte der Hydraulikkolbeneinheiten eine variable Lenkübersetzung möglich.

Bei einem derartigen SBW-Lenksystem (steer-by-wire) mit einer hydraulischen Rückfallebene, die mit einem geschlossenen Hydraulikkreis und mit Hydraulikkolbeneinheiten arbeitet, wird bei einem Ausfall des elektrischen Systems abrupt auf den hydraulischen Notlenkkreis umgeschaltet. Dabei kann der Fahrer zwar durch eine Anzeige gewarnt werden; aber die Lenkunterstützung fällt aus und es müssen die gesamten Lenkkräfte schlagartig vom Fahrer aufgebracht werden. Um diesen schlagartigen Übergang des Handkraftverlaufs abzumildern und ihn nicht sprunghaft sondern allmählich beziehungsweise nur begrenzt ansteigen zu lassen, so daß sich der Fahrer auf das Rückfallsystem besser einstellen kann, ist es vorteilhaft, wenn das Lenksystem gemäß Anspruch 12 mit einer Einrichtung zur Handkraftunterstützung ausgerüstet wird. Somit ist die Übergangsphase vom Normalbetrieb auf die Rückfallebene für den Fahrer besser beherrschbar, da anstelle eines abrupten Übergangs des Handkraftverlaufs dieser erheblich abgemildert beziehungsweise begrenzt wird; vor allem in Fahrsituationen, wie starke Kurvenfahrt oder langsame Fahrt, wo eine hohe Lenkkraft erforderlich ist, macht sich dies besonders vorteilhaft bemerkbar.

Besonders günstig ist es, wenn dabei die Einrichtung zur Lenkkraftunterstützung gemäß Anspruch 13 hydraulisch ausgeführt wird; die hydraulische Einrichtung läßt sich vorteilhaft an den geschlossenen Hydraulikkreis anschließen und stellt dabei ausreichend Energie zur Verfügung, so daß Handkraftbedarf und Handkraftunterstützung zumindest zeitweise aneinander angeglichen werden können.

Es ist aber auch zweckmäßig, wenn zur Unterstützung der Handkraft gemäß Anspruch 21 der ohnedies vorhandene Rückstellmotor verwendet wird, der nun anstelle seines Rückstellbetriebs durch ein geeignetes Reglerprogramm der elektronischen Steuereinheit auf einen Unterstützungsbetrieb umgeschaltet wird; auch wenn sich hierbei der Handkraftbedarf beim Umschalten auf den Notfall erhöht, weil der verfügbare Rückstellmotor in der Regel nicht den gesamten Energiebedarf ausgleichen kann, so ergibt sich doch für den Fahrer ein so stark abgemilderter Sprung, daß er leicht und ohne Gefahr von ihm beherrschbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lenksystems sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, die vier grundsätzliche Ausführungsbeispiele darstellt.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lenksystems, wobei ein elektromotorischer Lenksteller mit hydraulischer Kopplung und eine erste und zweite alternative Ausführungsform A und B für die Aktivierung des Notlenkkreises dargestellt sind; und

Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lenksystems mit zwei gekoppelten elektromotorischen Lenkstellern, ebenfalls mit beiden Alternativen A und B der Aktivierung des hydraulischen Notlenkkreises.

Fig. 3 zeigt in vereinfachter Form ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lenksystems, wobei das Lenksystem nach Fig. 1 zusätzlich mit einer hydraulischen Handkraftunterstützung im Notlenkkreis ausgebildet ist,

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem der Handkraftbedarf beim Übergang auf die hydraulische Rückfallebene bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dargestellt ist;

Fig. 5 zeigt einen Teil der dritten Ausführungsform nach Fig. 3 mit einer anderen kontinuierlichen Energieversorgung zur Handkraftunterstützung;

Fig. 6 zeigt in vereinfachter Form ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lenksystems, wobei das Lenksystem nach Fig. 1 zusätzlich eine elektromechanische Handkraftunterstützung im Notlenkkreis aufweist;

Fig. 7 zeigt ein Diagramm, in dem der Handkraftbedarf beim Übergang auf die hydraulische Rückfallebene bei dem vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Fig. 1 schematisch gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lenksystems zeigt ein sogenanntes SBW- Lenksystem (steer-by-wire), bei dem keine direkte mechanische Kopplung zwischen einem Lenkrad 1 und (nicht dargestellten) gelenkten Rädern 13, 14 besteht. Statt dessen wird der Fahrerlenkwunsch am Lenkrad 1 durch einen (nicht gezeigten) Geber abgegriffen. Die Rückwirkungen der Straße werden durch einen am Lenkrad 1 angebrachten Simulator 2 an den Fahrer übermittelt. Ein elektromotorischer Lenksteller 17 greift am Lenkgetriebe der Vorderachse 20 an. Der am Lenkrad 1 angebrachte (nicht gezeigte) Geber sowie und der elektromotorische Lenksteller 17 stehen über ein (gleichfalls nicht dargestelltes) Regelsystem miteinander in Wirkverbindung, wobei dem Regelsystem außer dem Fahrerlenkwunsch auch noch weitere (nicht gezeigte), die Lenkung beeinflussende Größen zugeführt werden können. Der Simulator 2 weist ein eigenes, zweites (nicht dargestelltes) Regelsystem auf.

Sicherheitstechnisch ist das beschriebene reine SBW-System als kritisch anzusehen, da es keine Fail-Safe-Funktion ermöglicht. D.h., daß bei Ausfall nicht, wie z. B. bei einem Antiblockiersystem, die Funktion einfach abgeschaltet werden kann.

Erfindungsgemäß ist deshalb eine einen Notlenkkreis bildende Rückfallebene vorgesehen, die aus einem geschlossenen Hydraulikkreis aus einer ersten Hydraulikkolbeneinheit 5, 6 mit einem mit der Lenkbewegung über ein beispielhaft als Ritzel, das in einer Zahnstange kämmt, dargestelltes Getriebe 4 verschiebbaren Kolben und, gem. Fig. 1, einer mit der ersten Hydraulikeinheit 5, 6 durch Hydraulikleitungen 11 verbundenen zweiten Hydraulikkolbeneinheit 15 besteht, die einen die Lenkstellung der Räder einstellenden verschiebbaren Kolben hat. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß nicht unbedingt zwei Hydraulikkolbeneinheiten erforderlich sind. Weiterhin weist der Hydraulikkreis Schaltmittel auf, die im Notlenkbetrieb den Kraftschluß des hydraulischen Notlenkkreises zwischen dem Lenkrad 1 und der gelenkten Achse 20 bzw. den Räder 13, 14 herstellen und im Normalbetrieb abschalten.

Diese Schaltmittel sind in Fig. 1 in zwei alternativen Ausführungsbeispielen dargestellt. Eine erste mit A bezeichnete Alternative weist einen im Notlenkbetrieb durch ein Umschaltventil abschaltbaren Bypass 9 auf, der, wie gezeigt, die zweite Hydraulikkolbeneinheit 15 überbrückt. Im Fehler- bzw. Störungsfall des SBW-Lenksystems wird deshalb der Bypass 9 durch das Umschaltventil abgeschaltet. Dieses Ventil muß stromlos geschlossen sein, um bei Ausfall des Bordnetzes des Fahrzeugs die Rückfallebene aktivieren zu können. Somit ist bei geschlossenem Bypassventil, d. h. offenem Bypassweg 9, ein hydraulischer Kraftschluß zwischen der ersten Hydraulikkolbeneinheit 5, 6 und der zweiten Hydraulikkolbeneinheit 15 zur Lenkung der gelenkten Achse 20 bzw. der Räder 13, 14 hergestellt.

Durch gezielte Auslegung der Kolbenquerschnitte der ersten und zweiten Hydraulikkolbeneinheit 5, 6 und 15 kann eine Lenkübersetzung realisiert werden, die es dem Fahrer erlaubt, trotz Ausfall der Servounterstützung das Fahrzeug zu lenken.

Die Überwachung des geschlossenen Hydraulikkreises erfolgt mittels eines kleinen Federspeichers 8 über ein Rückschlagventil 7. Der Federspeicher 8 stellt den definierten Druck im Hydraulikkreis her. Dieser definierte Druck läßt sich mit einem Sensor überwachen und damit eine Leckage des Hydrauliksystems erkennen.

Bei der zweiten in Fig. 1 dargestellten, mit B bezeichneten Alternative ist der Bypass 9 bzw. das Bypassventil durch eine Kupplung 3 ersetzt, die zwischen dem Lenkrad 1 bzw. dem Simulator 2 und dem Getriebe 4 des hydraulischen Notlenkkreises liegt. Der Unterschied der Alternative B besteht darin, daß im normalen SBW-Lenkbetrieb der gesamte hydraulischen Notlenkkreis vom Lenkrad 1 abgetrennt ist. Die Kupplung 3 ist im Normalbetrieb offen und wird im Fehlerfall geschlossen. Das Schließen muß stromlos erfolgen, um auch bei Ausfall des Bordnetzes die Rückfallebene, d. h. den hydraulischen Notlenkkreis, aktivieren zu können.

Gestrichelt dargestellt ist eine elektronische Steuereinheit 10 zur Erzeugung der Schaltsignale entweder für das Ventil zum Öffnen des Bypasses 9 im normalen Lenkbetrieb bzw. zum Schließen des Bypasses für den Notlenkbetrieb oder zum Öffnen der Kupplung 3 im Normalbetrieb und zum Schließen derselben im Fehler- oder Störungsfall.

Die Steuereinheit 10 kann ihrerseits Signale, die Störungen oder Ausfall von Komponenten im Regelsystem, des Lenkstellers und/oder des Gebers betreffen, empfangen, verarbeiten und Signale zur Beaufschlagung des Bypassventils oder der Kupplung 3 ausgeben.

Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß im normalen SBW-Lenkbetrieb jedes gelenkte Rad 13, 14 oder dessen Lenkachse 21, 22 durch einen separaten elektromotorischen Lenksteller 17, 18 gelenkt wird. Dementsprechend besitzt auch jedes Rad 13, 14 eine eigene Hydraulikkolbeneinheit 15, 16 des hydraulischen Notlenkkreises. Jede der zuletzt genannten Hydraulikkolbeneinheiten 15, 16 ist konstruktiv mit dem elektromotorischen Lenksteller 17, 18 so gekoppelt, daß bei Ausfall dieser elektromotorischen Lenksteller 17, 18 die Räder 13, 14 über die Hydraulikkolbeneinheit 15, 16 des hydraulischen Notlenkkreises gelenkt werden können.

Die beiden elektromotorischen Lenksteller 17, 18, die zur Lenkung der gelenkten Vorderräder 13, 14 im normalen SBW- Lenkbetrieb dienen, sind so ausgelegt, daß sie die Räder 13, 14 bei Fahrzeugstillstand bewegen können. Bewegt sich das Fahrzeug, nehmen die Radkräfte stark ab, so daß jeweils einer der beiden elektromotorischen Lenksteller 17, 18 beide Vorderräder 13, 14 lenken kann.

Über die Rückfallebene des hydraulischen Notlenkkreises ist durch den geschlossenen Hydraulikkreis 11, 12 automatisch eine Kopplung der beiden Räder 13, 14 sichergestellt, so daß das Rad, bei welchem der elektromotorische Lenksteller 17, 18 ausgefallen ist, automatisch durch den anderen elektromotorischen Lenksteller über die Rückfallebene des hydraulischen Notlenkkreises mitgelenkt wird. Dabei ist das Bypassventil 9 gemäß Alternative A oder die Kupplung 3 gemäß Alternative B weiterhin offen. Somit können auch in diesem Fehlerfall, d. h. bei Ausfall eines der elektromotorischen Lenksteller 17, 18, die Räder 13, 14 weiterhin unabhängig von der Stellung des Lenkrads 1 gelenkt werden.

Erst wenn beide elektromotorischen Lenksteller 17, 18 ausfallen, wird das Bypassventil 9 geschlossen, d. h. die Bypassleitung hydraulisch unterbrochen, oder die Kupplung 3 geschlossen, und damit werden die Räder 13, 14 durch die Hydraulikkolbeneinheit 5, 6 am Lenkrad 1 lenkbar. Auf diese Weise stehen zwei Rückfallebenen zur Verfügung:

• 1. Bei Ausfall eines elektromotorischen Lenkstellers 17, 18 werden beide Räder 13, 14 durch den verbleibenden funktionierenden Elektromotor gelenkt. Die Kopplung der Räder 13, 14 erfolgt dabei automatisch durch die hydraulische Rückfallebene.
• 2. Bei Ausfall beider elektromotorischen Lenksteller 17, 18 wird durch Schließen des Bypassventils 9 bzw. der Kupplung 3 der direkte Zugriff des Lenkrads über die Hydraulikkolbeneinheit 5, 6 hergestellt.

Die weiteren Merkmale des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels, d. h. die Überwachung des Drucks im Hydraulikkreis 11 durch den Federspeicher 8 und die beiden Schaltmittel, d. h. das Bypassventil oder die Kupplung 3 gemäß Alternativen A und B sind mit den in Fig. 1 gezeigten identisch und müssen deshalb hier nicht noch einmal erläutert werden.

Die Fig. 3 zeigt in vereinfachter Form ein drittes Ausführungsbeispiel des Lenksystems, das sich vom Lenksystem nach Fig. 1 wie folgt unterscheidet, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das dritte Lenksystem 30 unterscheidet sich primär durch eine Einrichtung 31 zur Handkraftunterstützung, die hier hydraulisch ausgebildet ist. Zu diesem Zweck weist die Einrichtung 31 ein hydraulisches Lenksteuerventil 32 auf, dessen Zulaufanschluß 33 von einem als Energiequelle dienenden Druckspeicher 34 mit Druckmittel versorgbar ist. In die vom Druckspeicher 34 zum Zulaufanschluß 33 führende Zulaufleitung 35 ist ein zweites Rückschlagventil 36 sowie ein zweites Umschaltventil 37 geschaltet. Von einem Rücklaufanschluß 38 des Lenksteuerventils 32 führt eine Ablaufleitung 39 über ein drittes Umschaltventil 41 zu einem Tank 42. Das Lenksteuerventil 32 weist ferner zwei Verbraucheranschlüsse 43, 44 auf, die mit einem Hydraulikmodul 45 hydraulisch verbunden sind. In diesem Hydraulikmodul 45 sind im wesentlichen die Funktionen des Getriebes 4 nach Fig. 1 sowie der beiden Hydraulikkolbeneinheiten 5 und 6 untergebracht, so daß von ihm Hydraulikleitungen 11 auf beiden Seiten zur Hydraulikkolbeneinheit 15 abgehen. Mit dem Getriebe 4 und damit mit dem Lenkrad 1 steht ein Meßglied 46 in Wirkverbindung, welches das Handmoment am Lenkrad 1 erfaßt und davon abhängig das Lenksteuerventil 32 steuert. In die Wirkverbindung zwischen Lenkrad 1 und Meßglied 46 ist der Simulator 2 geschaltet, der auch als Rückstellmotor bezeichnet wird.

Wenn bei dem dritten Lenksystem 30 das elektrische System abgeschaltet wird, wird gleichzeitig die Einrichtung 31 zur Handkraftunterstützung eingeschaltet, indem zugleich das erste Umschaltventil 9 und das zweite Umschaltventil 37 durch eine gemeinsame Ansteuerung umgeschaltet werden. Dabei wird die hydraulische Rückfallebene im Fall des stromlosen Zustandes der Ansteuerkreise der Umschaltventile 9 und 37 aktiviert, wobei die beiden Umschaltventile 9 und 37 vorteilhaft in einem gemeinsamen Ventilblock untergebracht sein können. Aus dem Druckspeicher 34 wird dann Hochdruck über das zweite Rückschlagventil 36 und das geöffnete zweite Umschaltventil 37 über den Zulaufanschluß 33 in das Lenksteuerventil 32 geführt. Abhängig von der Drehung, also von der Richtung und Höhe des Handmomentes am Lenkrad 1, wird nun die Stellung des Steuerglieds im Lenksteuerventil 32 so verändert, daß der Differenzdruck am Arbeitszylinder 15 so eingestellt wird, daß die gewünschte Unterstützung an der Spurstange 20 erfolgt. So wird zum Beispiel beim Lenken nach rechts das Druckmittel aus dem Druckspeicher 34 vom Lenksteuerventil 32 über den ersten Verbraucheranschluß 43 zum Hydraulikmodul 45 durchgelassen und dieser steuert den Hochdruck an seinem Anschluß R aus, so daß er auf die in der Fig. 3 rechte Kammer des Arbeitszylinders 15 geführt wird. Gleichzeitig wird vom Kolben im Arbeitszylinders 15 an der Spurstange 20 Druckmittel über den Anschluß L im Hydraulikmodul 45 und dem zweiten Verbraucheranschluß 44 am Lenksteuerventil 32 zum Rücklaufanschluß 38 und weiter zum Tank 42 geführt.

In der Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, das den Handkraftbedarf über der Zeit veranschaulicht. Wenn hierbei in einem Zeitpunkt 47 ein Abschalten des elektrischen Systems und dabei eine Warnung des Fahrers erfolgt, so veranschaulicht die sprungförmige Kennlinie 48 den Handkraftbedarf in einem Lenksystem ohne Handkraftunterstützung. Demgegenüber zeigt die zweite Kennlinie 49 den Verlauf des Handkraftbedarfs wie er mit einer Einrichtung 31 zur Handkraftunterstützung erreichbar ist. Somit ergibt sich ein allmählicher Handkraftanstieg, wie er vom Fahrer besser beherrschbar ist. Der Anstieg des Handkraftbedarfs ist um so steiler, je mehr Unterstützung in der Übergangsphase gebraucht wird, das heißt je größer der erforderliche Lenkwinkel nach Abschalten des elektrischen Systems ist. Die hydraulische Unterstützung für das Handmoment wird über der Zeit zurückgenommen, dadurch daß der Hochdruck im Druckspeicher 34 abgebaut wird. Durch die vorgeschlagene Verschaltung von Hydraulikmodul 45 und Arbeitszylinder 15 wird das Gegenmoment zum Handmoment am Lenkrad 1 durch die hydraulische Rückwirkung des Differenzdruckes am Arbeitszylinder 15 gebildet. Bei dem geschilderten Notfallbetrieb des Lenksystems 30 befindet sich das dritte Umschaltventil 41 in seiner Durchlaß-Stellung, solange der hohe Druck im Druckspeicher 34 vorhanden ist. Wenn schließlich der Druck im Druckspeicher 34 erschöpft ist, wird die Verbindung zum Tank 42 durch das dritte Umschaltventil 41 unterbrochen, damit es nach dem unterstützten Betrieb nicht zum Verlust vom Druckmittel aus dem hydraulischen Rückfallsystem kommt.

Die Fig. 5 zeigt einen Teil des dritten Lenksystems 30 mit einer anderen Einrichtung 51 zur Handkraftunterstützung, wobei der Hydraulikdruck zur Unterstützung des Handmoments durch eine Hydropumpe 52 erzeugt wird, die elektrisch oder vom Verbrennungsmotor oder vom Antriebsstrang des Fahrzeugs angetrieben wird. Beim Abschalten des elektrischen SBW- Lenksystems ist somit dafür gesorgt, daß eine kontinuierliche Unterstützung der Handkraft erfolgt. Dabei muß die Einrichtung 51 so ausgelegt sein, daß bei einem elektrischen Antrieb der Hydropumpe 52 in der Notfallsituation noch elektrische Energie zum Betrieb der Hydropumpe verfügbar ist.

Ferner lassen sich in einer nicht dargestellten Variante die Einrichtungen 31 und 51 so kombinieren, daß der Druckspeicher über eine Pumpe kontinuierlich auf hohem Druck aufgeladen wird. Dabei wird über ein Überdruckventil der Überdruck vom Speicher zum Tank entlastet. Damit die Pumpe nicht ständig arbeiten muß kann dabei über einen Drucksensor oder Wegsensor (Schalter) erreicht werden, daß die Pumpe nur dann eingeschaltet wird, wenn ein Mindestdruck im Druckspeicher unterschritten wird.

Bei dem dritten Lenksystem 30 kann mit Hilfe der Einrichtungen 31, 51 zur Handkraftunterstützung erreicht werden, daß der abrupte Übergang des Handkraftverlaufs abgemildert wird. Wie besonders deutlich Fig. 4 zeigt, steigt der Handkraftverlauf nicht sprunghaft sondern allmählich an, so daß sich der Fahrer auf das hydraulische Rückfallsystem einstellen kann und nicht nur auf die Warnanzeige beim Abschalten des elektrischen Systems angewiesen ist. Somit ist die Übergangsphase vom Normalbetrieb auf die Rückfallebene für den Fahrer besser beherrschbar.

Die Fig. 6 zeigt in vereinfachter Form ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines vierten Lenksystems 60, das sich von demjenigen nach Fig. 1 vor allem wie folgt unterscheidet, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das vierte Lenksystem 60 unterscheidet sich vor allem durch eine Einrichtung 61 zur Handkraftunterstützung, die hier elektromechanisch ausgebildet ist, indem hier unmittelbar der ohnedies vorhandene Rückstellmotor 2 für diesen Zweck verwendet wird. Das Lenksystem 60 weist ferner eine elektronische Steuereinheit 62 auf, der an einem ersten Eingang 63 Signale für das Handmoment am Lenkrad 1 zugeführt werden, während es an einem zweiten Eingang 64 Signale für das Radmoment am elektromotorischen Lenkstellers 17 erhält. Ferner sind an dieser Steuereinheit 62 Eingänge 65 für Betriebsspannungen, wie Batteriespannung und Zündspannung, 66 für Steuersignale, wie Zündschlüssel und Generatorenkontrolle und Türschloß, sowie 67 für die Drucküberwachung des Druckspeichers 8 vorgesehen. Ein Steueranschluß 68 dient zur Steuerung des den Bypass steuernden Umschaltventils 9. Mit den Steueranschlüssen 69 und 71 der elektronischen Steuereinheit 62 werden der Rückstellmotor 2 beziehungsweise der Lenksteller 17 angesteuert. Für die Ansteuerung dieser Motoren sind der elektronischen Steuereinheit 62 ein erstes Motorrelais 72 für den Rückstellmotor 2 und ein zweites Motorrelais 73 für den Lenksteller 17 zugeordnet.

Die Motorrelais 72 und 73 dienen als Abschaltpfade für die beiden Motoren. Die elektronische Steuereinheit 62 kann durch entsprechende Ansteuerung der beiden Motorrelais 72 und 73 einen unerwünschten Stromfluß durch den Rückstellmotor 2 bzw. durch den Lenksteller 17 unterbrechen, der durch elektrische Fehler in den Motoren oder in der Motoransteuerung hervorgerufen wurde.

An einem Steuerausgang 74 werden Signale abgegeben, um eine optische Warnung, eine akustische Warnung, einen Motoreingriff oder zum Beispiel eine Bremsanforderung zu aktivieren. Entsprechend den beiden Motorrelais 72, 73 weist die Steuereinheit 62 auch zwei Motorendstufen auf.

Die Wirkungsweise des vierten Lenksystems 60 wird wie folgt erläutert, wobei die Funktionen der Lenksysteme nach Fig. 1 bis 5 als bekannt vorausgesetzt werden. Wenn in einem der Module des Lenksystems 60 ein Fehler auftritt und die hydraulische Rückfallebene noch fehlerfrei ist, wird das System von der elektronischen Steuereinheit 62 in die hydraulische Rückfallebene geschaltet. Der Fahrer erhält eine Warninformation und das Fahrzeug wird auf eine vorgegebene Höchstgeschwindigkeit für die Rückfallebene abgebremst. In der hydraulischen Rückfallebene ist der elektromotorische Lenksteller 17 abgeschaltet und dadurch steigt der Handkraftbedarf am Lenkrad 1 wie bereits früher erläutert schlagartig an, wobei dieser Sprung wie bereits früher erläutert schlagartig an, wobei dieser Sprung zum Beispiel den zehnfachen Ausgangswert erreichen kann. In dem Diagramm nach Fig. 7 ist dieser Sachverhalt beispielsweise durch die Kennlinie 75 dargestellt, welche den Handkraftbedarf ohne Unterstützung nach dem Umschaltzeitpunkt 47 darstellt. Solange der Fehler nur im Radmodul oder dessen Elektronikkomponenten wie Sensoren, Motorrelais oder Motorendstufen liegt, kann in der hydraulischen Rückfallebene der Rückstellmotor 2 als Handkraftunterstützung für den Fahrer benutzt werden. Zu diesem Zweck wird von der elektronischen Steuereinheit 62 das Reglerprogramm des Rückstellmotors 2 von seinem Rückstellbetrieb im Normalfall auf einen Unterstützungsbetrieb im Notfall umgeschaltet. Der Handkraftbedarf am Lenkrad 1 steigt in diesem Notfall für den Fahrer beispielsweise auf einen doppelt so großen Wert an, wie dies durch die Kennlinie 76 in Fig. 7 näher veranschaulicht ist. Eine solche Verdoppelung des Handkraftbedarfs wird aber für den Fahrer noch als beherrschbar angesehen, da keine sprunghafte Steigerung auf einen Maximalwert erfolgt und sich der Fahrer auf das Rückfallsystem einstellen kann.

Bei dem vierten Lenksystem 60 läßt sich somit mit der den Rückstellmotor 2 aufweisenden Einrichtung 61 eine Handkraftunterstützung erreichen, sofern das elektrische System fehlerfrei ist und der Fehler, der zum Abschalten des Stellantriebes geführt hat, nur im elektrischen System des Stellantriebs liegt. Dies wird durch eine entsprechende Abschaltstrategie des steer-by-wire-Lenksystems erreicht, die nur diejenigen Systemteile abschaltet, die fehlerhaft sind und die verbleibenden Systemteile so konfiguriert, daß bezüglich Sicherheit und Fahrerunterstützung ein optimales Systemverhalten erzielt wird. Auch wenn der Rückstellmotor 2 nur einen Teil des erforderlichen Lenkmoments aufbringen kann, so wird doch dadurch ein für den Fahrer gefährlicher Sprung auf einen Maximalwert verhindert und eine erheblich verbesserte Notfallsituation erreicht.

Selbstverständlich sind an den gezeigten Ausführungsformen Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (23)

1. Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem am Lenkgetriebe (20) eines gelenkten Rades (13, 14) bzw. an den Lenkgestängen (21, 22) der gelenkten Räder (13, 14) angebrachten elektromotorischen Lenksteller (17; 17, 18), einem mit dem Lenksteller (17; 17, 18) über ein Regelsystem verbundenen, den Lenkwunsch des Fahrers erfassenden Geber, der am Lenkrad (1) angebracht ist, und einem Notlenkkreis (5-11, 15, 16), der bei sicherheitsrelevanten Störungen oder einem Ausfall des oder der Lenksteller (17; 17, 18) und/oder des Gebers oder des Regelsystems einen diese Komponenten überbrückenden oder außer Funktion setzenden Notlenkbetrieb ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Notlenkkreis (5-11, 15, 16) einen geschlossenen Hydraulikkreis (11), bestehend aus einer ersten Hydraulikkolbeneinheit (5, 6) mit einem mit der Lenkradbewegung verschiebbaren Kolben, wenigstens einer mit der ersten Hydraulikkolbeneinheit (5, 6) durch Hydraulikleitungen verbundenen radseitigen zweiten Hydraulikkolbeneinheit (15; 15, 16), die eine die Lenkstellung der Räder (13, 14) stellenden verschiebbaren Kolben hat, und Schaltmittel (3; 9) aufweist, die im Notlenkbetrieb die Wirkverbindung oder den Kraftschluß des hydraulischen Notlenkkreises zwischen dem Lenkrad (1) und der gelenkten Achse bzw. den Rädern ein- und im Normalbetrieb abschalten.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen im Notlenkbetrieb durch ein elektrisches Umschaltventil abschaltbaren hydraulischen Bypass (9) aufweisen, der die erste und/oder zweite Hydraulikkolbeneinheit (15; 15, 16) im Normalbetrieb überbrückt.

3. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel eine zwischen dem Lenkrad (1) und dem hydraulischen Notlenkkreis liegende Kupplung (3) aufweisen.

4. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (3; 9) funktionell mit einer elektronischen Steuereinheit (10) verbunden sind, die Signale über Störungen und/oder den Ausfall der Komponenten des Regelsystems, des oder der Lenksteller und/oder des Gebers erkennt bzw. erzeugt und damit die Schaltmittel beaufschlagt.

5. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (3; 9) zur Aktivierung des Notlenkbetriebs durch Abschalten eines Stroms geschaltet werden.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Lenkübersetzung durch eine gezielte Auslegung der Kolbenquerschnitte der Kolben der beiden Hydraulikkolbeneinheiten (5, 6, 15; 5, 6, 15, 16).

7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Überwachungsmittel (7, 8) zur Überwachung des geschlossenen Zustands des hydraulischen Notlenkkreises.

8. Lenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel einen definierten Druck im Hydraulikkreis einstellenden Federspeicher (8) und einen diesen Druck erfassenden Sensor aufweisen.

9. Lenksystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Federspeicher mit dem Hydraulikkreis durch ein Rückschlagventil (7) verbunden ist.

10. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes gelenkte Rad (13, 14) einen eigenen elektrischen Lenkstellmotor (17, 18) aufweist, die jeweils so ausgelegt sind, daß sie die Räder (13, 14) bei Fahrzeugstillstand lenken können, daß jeweils einer der Lenkstellmotoren (17, 18) beide Räder (13, 14) bei bewegtem Fahrzeug lenken kann, und daß auch jedes gelenkte Rad (13, 14) eine eigene zweite Hydraulikeinheit (15, 16) aufweist, die jeweils mit dem zugehörigen Lenkstellmotor (17, 18) so gekoppelt ist, daß sie bei Ausfall beider Lenkstellmotoren (17, 18) die Räder lenken können.

11. Lenksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zweiten Hydraulikkolbeneinheiten (15, 16) auch bei geöffnetem Bypassventil (9) hydraulisch gekoppelt sind oder bleiben, so daß durch diese hydraulische Kopplung (12) beider Räder, das Rad, dessen Lenkstellmotor (17, 18) ausgefallen ist, durch den intakten Lenkstellmotor (17, 18) des anderen Rades über diese hydraulische Kopplung (12) mitgelenkt wird.

12. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1-11 dadurch gekennzeichnet, daß der Notlenkkreis eine Einrichtung (31, 51, 61) zur Handkraftunterstützung aufweist, die in Abhängigkeit von der Drehung des Lenkrads (1) steuerbar ist.

13. Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (31, 51) zur Handkraftunterstützung hydraulisch ausgebildet ist und an den geschlossenen Hydraulikkreis (11, 12) des Notlenksystems anschließbar ist.

14. Lenksystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (31, 51) zur Handkraftunterstützung ein hydraulisches Lenksteuerventil (32) aufweist, das mit einer hydraulischen Energiequelle (34, 52) und einem Rücklauf (38) verbunden ist und mit seinen beiden Verbraucheranschlüssen (43, 44) mit den beiden hydraulischen Seiten des geschlossenen Hydraulikkreises (11, 12) Verbindung hat, und daß das Lenksteuerventil (32) abhängig von der Richtung und Größe des Handmoments am Lenkrad (1) so steuerbar ist, daß es eine dazu proportionale Druckdifferenz zur Unterstützung der Handkraft in dem geschlossenen Hydraulikkreis (11, 12) steuert.

15. Lenksystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (37) vorgesehen sind, die beim Umschalten auf die hydraulische Notfallebene die hydraulische Energiequelle (34, 52) zuschalten.

16. Lenksystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ein Umschaltventil (37) aufweisen, das in die Verbindung zwischen Energiequelle (34) und Zulaufanschluß (33) des hydraulischen Lenksteuerventils (32) geschaltet ist und das die im Normalfall hydraulisch blockierte Verbindung im Notfall aufsteuert.

17. Lenksystem nach einem der Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein hydraulischer Druckspeicher (34) ist.

18. Lenksystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle eine Hydropumpe (52) vorgesehen ist.

19. Lenksystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß in die vom Rücklaufanschluß (38) des Lenksteuerventils (32) zum Tank (42) geführte Rücklaufleitung (39) ein drittes Umschaltventil (41) geschaltet ist, das diese Verbindung abhängig vom Druck im Druckspeicher (34) steuert.

20. Lenksystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Handkraftunterstützung elektromechanisch ausgebildet ist und in die mechanische Wirkverbindung zwischen Lenkrad (1) und Lenkradgetriebe (4) eingreift.

21. Lenksystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Handkraftunterstützung der Rückstellmotor (2) verwendet wird, der über eine elektronische Steuereinheit (62) so ansteuerbar ist, daß er ein unterstützendes Moment in Abhängigkeit von der Drehung des Lenkrads (1) bewirkt.

22. Lenksystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronischen Steuereinheit (62) zumindest vom Lenkradmoment des Lenkrades (1) und vom Radmoment der elektromotorischen Lenksteller (17) abhängige Signale (63, 64) zugeführt werden und davon abhängig der Rückstellmotor (2) und der Lenksteller (17) gesteuert werden, wozu der elektronischen Steuereinheit (62) wenigstens zwei Motorendstufen und zwei Motorrelais (72, 73) zugeordnet sind.

23. Lenksystem nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (62) mindestens einen Steuerausgang (74) aufweist, an dem Signale für eine optische und/oder eine akustische Warnung und/oder für einen Motoreingriff und/oder für eine Bremsanforderung abgreifbar sind.