DE19855418A1 - Radwinkelstellantrieb für Lenkungen von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radwinkelstellantrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einem Lenkgehäuse 1, einer in dem Lenkgehäuse 1 drehbar gelagerten Lenkwelle 5 mit einer Abtriebsseite 30 sowie mit einer der Lenkwelle 5 zugeordneten Verzahnung 11 und ohne eine mechanische Zwangskopplung einer Lenksäule mit der Lenkwelle 5, wobei in dem Lenkgehäuse 1 ein erster Arbeitskolben 6 und ein zweiter Arbeitskolben 7 vorgesehen sind, die über ein Fluid antreibbar sind und die gemeinsam auf die Lenkwelle 5 wirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radwinkelstell­ antrieb für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Ober­ begriffs des Anspruchs 1.

Derartige Radwinkelstellantriebe ohne mechanische Zwangs­ kopplung einer Lenksäule mit der Lenkwelle sind aus der Praxis bekannt. Es handelt sich beispielsweise um die Lenkungen von Radladern, die über eine Abknickung des Rahmens in einem mittigen Schwenkgelenk gesteuert werden. Bei diesen Lenkungen sind zwischen dem vorderen und dem hinteren Rahmenteil seitlich je ein einfach wirkender Hy­ draulikzylinder vorgesehen, der den Rahmen in die eine oder andere Richtung bewegt.

Ein weiterer Lenkantrieb ist von langsam fahrenden Ar­ beitsmaschinen bekannt. Die dort eingesetzten hydrostati­ schen Lenkungen verschwenken die Räder bezüglich des Rah­ mens. Die Schwenkbewegung wird über einen doppelt wirken­ den Hydraulikzylinder angetrieben, der quer zur Fahrzeu­ glängsachse eingebaut ist und insgesamt zwei Kolbenstan­ gen aufweist, von denen jede Kolbenstange zu einem Rad geführt ist. Die beiden Kolbenstangen bilden eine durch­ gehende, starre Verbindung zwischen den beiden Rädern und übernehmen damit die Funktion der Spurstange.

Beide Lenksysteme sind nicht ohne weiteres auf Kraftfahr­ zeuge und insbesondere Nutzfahrzeuge übertragbar. Die Knickrahmenlenkung ist für andere Kraftfahrzeuge als Rad­ lader oder Baumaschinen nicht geeignet. Die technische Lösung des doppelt wirkenden Hydraulikzylinders, der Spurstangenfunktion übernimmt, ist nicht redundant in dem Sinne, daß alle wesentlichen Antriebselemente, die mit einer gewissen geringen Ausfallwahrscheinlichkeit behaf­ tet sind, doppelt vorgesehen sind. Außerdem ist diese Lö­ sung nur schwer an bestehende Kraftfahrzeuge, insbesonde­ re Nutzfahrzeuge anpaßbar.

Ein Bedarf an Radwinkelstellantrieben für Kraftfahrzeuge ohne mechanische Zwangskupplung einer Lenksäule mit einer Lenkwelle besteht deshalb, weil in der Entwicklung von Lenksystemen derzeit die unmittelbar vom Lenkrad aus in das Lenkgetriebe durchgehende Lenksäule vermieden werden soll. Dies bringt zum einen eine größere Flexibilität beim Einbau der Lenkungskomponenten in das Fahrzeug. Zum anderen kann auf diese Weise erstmals eine geschwindig­ keitsabhängig variable Übersetzung der Lenkradumdrehungen in einen Radeinschlagswinkel simuliert werden. Bei be­ stimmten Anwendungen ist es erwünscht, daß bei langsamen Fahrgeschwindigkeiten, etwa beim Rangieren, einer be­ stimmten Lenkraddrehung ein relativ großer Radeinschlags­ winkel zugeordnet ist, während bei höheren Geschwindig­ keiten im normalen Fahrbetrieb derselbe Lenkradeinschlag zu geringeren Radwinkeleinschlägen führen soll. Außerdem sind auf dem Pkw-Sektor derzeit verschiedene Fahrzeugsta­ bilisierungssysteme bekannt, die in instabilen Fahrzu­ ständen durch gezielten Bremseingriff an einzelnen Rädern das Fahrzeug stabilisieren und auf diese Weise ein Aus­ brechen verhindern. Diese Systeme können durch einen ge­ zielten Lenkeingriff ergänzt werden. Bei Fehlen der me­ chanischen Zwangskopplung zwischen Lenkgetriebe und Lenk­ rad kann dieser Eingriff vom Fahrer unbemerkt erfolgen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radwinkelstellantrieb zu schaffen, der keine mechanische Kopplung zwischen der Lenksäule und der Lenkwelle erfor­ dert, der ohne weiteres in bestehende Nutzfahrzeuge oder andere Kraftfahrzeuge einzubauen ist und der durch redun­ dante Auslegung hohe Sicherheitsansprüche erfüllt.

Diese Aufgabe wird von einem Radwinkelstellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil in dem Lenkgehäuse ein erster Arbeitskolben und ein zweiter Arbeitskolben vorgesehen sind, die über ein Fluid antreibbar sind und die gemeinsam auf die Lenkwelle wir­ ken, kann jeder Arbeitskolben separat über ein eigenes Hydrauliksystem versorgt werden und beim Ausfall eines Hydrauliksystems der gesamte Lenkantrieb über den ande­ ren, funktionsfähig gebliebenen Hydraulikkreislauf erfol­ gen.

Der Aufbau des Radwinkelstellantriebes ist besonders ein­ fach, wenn die Arbeitskolben linear wirkende Hydraulik­ kolben mit je zwei Arbeitsräumen sind. Dann sind die je­ weiligen Arbeitsräume als einfache Zylinderbohrungen wie bei herkömmlichen Kugelumlaufservolenkungen zu fertigen. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Arbeitskolben je eine Zahnstange tragen, die mit der Verzahnung der Lenk­ welle ständig in Eigriff steht. Die Bewegungen der beiden Arbeitskolben sind dann über das gemeinsame Ritzel der Lenkwelle mechanisch zwangsweise gekoppelt. Beim Ausfall eines der beiden Hydrauliksysteme wird dann nicht ein Ar­ beitskolben in einer Endstellung verharren, sondern zwangsweise bei Betätigung des anderen Arbeitskolbens mitbewegt.

Wenn die Zahnstangen einander zugewandt in dem Lenkgehäu­ se ausgerichtet sind und zwischen sich die Verzahnung der Lenkwelle einschließen, kann auf die Lenkwelle bei Lenk­ bewegungen ein im wesentlichen querkräftefreies Drehmo­ ment ausgeübt werden. Die Abstützung der Lenkwelle im Ge­ häuse kann entsprechend schwächer dimensioniert werden, so daß sich eine Gewichtsersparnis ergibt.

Wenn je ein Arbeitsraum des einen Arbeitskolbens mit dem bezüglich der Lenkwelle diametral gegenüberliegenden Ar­ beitsraum des anderen Arbeitskolbens funktional zusammen­ geschaltet ist, werden beide Kolben durch den ihnen je­ weils zugeordneten Hydraulikkreis gleichmäßig mit Druck beaufschlagt, so daß sich eine insgesamt gleichmäßige Be­ lastung des Radwinkelstellantriebes ergibt. Fertigungs­ technisch ist es von Vorteil, wenn die beiden Arbeitsräu­ me jedes Arbeitskolbens eine im Durchmesser geringfügig unterschiedliche Bohrung ihres jeweiligen Zylinderwandab­ schnitts aufweisen. Dies erleichtert die Bearbeitung der als einseitig offenes Sackloch ausgeführten Zylinderboh­ rung und das Einsetzen des einstückigen Arbeitskolbens mit den beiden Kolbenböden und entsprechenden Dichtungen in die Zylinderbohrung.

Für die Anwendungen ohne Zwangskopplung ist es vorteil­ haft, wenn der Lenkwelle wenigstens ein Drehwinkelsensor zugeordnet ist, der vorzugsweise koaxial zu der Lenkwelle auf der Abtriebseite oder gegenüber angeordnet ist. Auf diese Weise kann elektronisch der aktuelle Radeinschlag ermittelt werden.

Wenn das Lenkgehäuse zwei Zylinderbohrungen für die Auf­ nahme der Arbeitskolben trägt, wobei die jeweilige Zylin­ derwandung und je ein Zylinderkopf mit dem Lenkgehäuse einstückig ist, kann das Lenkgehäuse mit diesen Zylinder­ bohrungen als Gußteil gefertigt werden und mit an sich bekannten Methoden nachbearbeitet werden. Ein geringer Fertigungsaufwand wird weiter realisiert, wenn der je­ weils andere Zylinderkopf der beiden Zylinder von einem Verschlußdeckel gebildet ist. Dann bleibt pro Zylinder mit je zwei Arbeitsräumen lediglich eine großflächige Dichtung für die Hydraulik zu montieren.

Eine besonders einfache Speisung der Arbeitsräume mit dem Fluid erfolgt über Gewindebohrungen, die den Zylinderköp­ fen der Zylinder zugeordnet sind. Es kann ohne weitere Einbaumaßnahmen eine einfache Hydraulikleitung ange­ schlossen werden, die dann den jeweils darunter liegenden Arbeitsraum speist.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Radwinkelstellantrieb in einem Quer­ schnitt in Draufsicht auf die Lenkachse;

Fig. 2 den Radwinkelstellantrieb gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt von der Seite; sowie

Fig. 3 den Radwinkelstellantrieb gemäß Fig. 1 und

Fig. 2 in einer Seitenansicht.

In der Fig. 1 ist ein Radwinkelstellantrieb für ein Nutzfahrzeug in einem Querschnitt dargestellt. Ein Lenk­ gehäuse 1 enthält eine erste Zylinderbohrung 2 und eine zweite Zylinderbohrung 3. Das Lenkgehäuse 1 trägt außer­ dem ein Lager 4 für ein Lenkwelle 5, deren Mittenachse senkrecht auf der Zeichenebene steht. In der Zylinderboh­ rung 2 ist ein erster Arbeitskolben 6 angeordnet, während in der zweiten Zylinderbohrung 3 ein zweiter Arbeitskol­ ben 7 vorgesehen ist. Die Arbeitskolben 6 und 7 können baugleich sein. Jeder der Arbeitskolben 6, 7 trägt zwei einander abgewandte Kolbenböden 8, 9 sowie eine Zahnstan­ ge 10, die jeweils im Eingriff mit einem Ritzelabschnitt 11 der Lenkwelle 5 steht.

Die Zylinderbohrungen 2 und 3 sind als Sackbohrungen aus­ geführt und an ihrer offenen Seite durch verschraubte Deckel 12, 13 verschlossen. Die Zylinderbohrungen 2, 3 selbst sind als gestufte Bohrungen ausgeführt, die sich im Bereich einer umlaufenden Schulter 14, 15 von einem größeren Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser ver­ jüngt. Dementsprechend ist der Kolbenboden 8 im Durchmes­ ser geringfügig kleiner als der Kolbenboden 9.

Der Kolbenboden 8 umgibt zusammen mit der Wandung der Zy­ linderbohrung 2, 3 und dem Boden der Zylinderbohrung ei­ nen Arbeitsraum 20 des Kolbens 6 bzw. 21 des Kolbens 7. Der gegenüberliegende, im Durchmesser geringfügig größere Kolbenboden 9 der Kolben 6 bzw. 7 begrenzt ebenfalls mit der ihm zugeordneten Zylinderwandung und dem Deckel 12, 13 jeweils einen Arbeitsraum 22 des Kolbens 6 bzw. 23 des Kolbens 7. Die Arbeitsräume 20 bis 23 werden über Gewin­ debohrungen 24, 25, 26 und 27 mit einem Hydraulikfluid versorgt, das über diese Bohrungen in die Arbeitsräume eingeleitet werden kann.

Die Fig. 2 zeigt den insoweit beschriebenen Radwinkel­ stellantrieb in einem Querschnitt von der Seite. Die bis­ lang beschriebenen Bauelemente sind, soweit sie in der Fig. 2 sichtbar sind, mit gleichen Bezugsziffern be­ zeichnet.

Es ist ersichtlich, daß die beiden Zylinderbohrungen 2 und 3 als runde Bohrungen ausgeführt sind, in denen sich ebenfalls runde Arbeitskolben 6, 7 bewegen. Die Zahnstan­ ge 10 eines jeden Arbeitskolbens 6, 7 ist gegen die Mit­ tenachse der Lenkwelle 5 geneigt, was durch die leicht kegelradförmige Ausformung des Ritzels 11 bedingt ist. Die Lenkwelle zeigt in dieser Darstellung eine Ab­ triebseite 30, die mit einer Vielfachverzahnung versehen ist. Auf dieser Vielfachverzahnung ist im Betrieb der Lenkstockhebel befestigt. Auf der der Abtriebseite 30 ge­ genüberliegenden Seite der Lenkwelle sind zwei Sensoren 31 und 32 vorgesehen, die die Stellung der Lenkwelle im Betrieb messen. Dieser Drehwinkel ist ein wichtiges Ein­ gangssignal für eine elektronische Steuerung, die über die aktuelle Stellung der gelenkten Räder des Kraftfahr­ zeuges informiert sein muß. Beide Sensoren 31, 32 erzeu­ gen unabhängig voneinander das gleiche Meßsignal, damit auch diese Meßwerterfassung redundant auslegbar ist. Die Sensoren 31 und 32 sind von einem Gehäusedeckel 33 umge­ ben, der mit dem Lenkgehäuse 1 verschraubt ist. Alterna­ tiv können ähnliche Sensoren auch an den Achsschenkeln angebracht sein.

Die Fig. 3 zeigt schließlich den Radwinkelstellantrieb in einer Ansicht gemäß Fig. 2 in nicht geschnittener Darstellung. Die beiden Deckel 12 und 13 zum Verschließen der Zylinderbohrungen 2 und 3 sind, wie in dieser Dar­ stellung ersichtlich ist, kreisrund und mit jeweils 5 Ge­ windeschrauben 34 befestigt. Die Gewindebohrungen 26 und 27 zur Versorgung der hinter den Deckeln 12, 13 liegenden Arbeitsräume 22, 23 sind mittig auf den Deckeln 12, 13 vorgesehen.

In der Praxis arbeitet der insoweit beschriebene Radwin­ kelstellantrieb wie folgt. Zwei im wesentlichen identi­ sche Hydrauliksysteme mit separaten Pumpen, Ventilen und Leitungen sind so geschaltet, daß sie jeweils zwei An­ schlußleitungen für einen druckfesten Anschluß an den Ge­ windebohrungen 24 bis 27 des Radwinkelstellantriebes auf­ weisen. Dabei ist das erste Hydrauliksystem mit dem Ar­ beitsraum 20 über die Gewindebohrung 24 und mit dem Ar­ beitsraum 22 über die Gewindebohrung 26 verbunden. Das zweite Hydrauliksystem ist über die Gewindebohrung 25 mit dem Arbeitsraum 21 sowie über die Gewindebohrung 27 mit dem Arbeitsraum 23 verbunden. Für einen Lenkeinschlag im Uhrzeigersinn der Darstellung gemäß Fig. 1 wird von dem ersten Hydrauliksystem das Fluid in den Arbeitsraum 20 und von dem zweiten Hydrauliksystem das Fluid in den Ar­ beitsraum 23 geleitet, während das Fluid aus dem Arbeits­ raum 22 über einen Rücklauf in den Vorratsbehälter des ersten Hydrauliksystems und aus dem Arbeitsraum 21 über einen Rücklauf in den Vorratsbehälter des zweiten Hydrau­ liksystems geleitet wird. Die Kolben bewegen sich ent­ sprechend der Druckkraft, wobei der Kolben 6 nach rechts in der Darstellung gemäß Fig. 1 und der Kolben 7 nach links gedrückt wird. Über die einstückig angeformte Zahn­ stange 10 kämmen die beiden Kolben mit dem Ritzelab­ schnitt 11 der Lenkwelle 5 und drehen diese im Uhrzeiger­ sinn.

Für eine Drehbewegung der Lenkwelle 5 im Gegenuhrzeiger­ sinn wird dementsprechend aus dem ersten Hydrauliksystem das Fluid unter Druck in den Arbeitsraum 22 und aus dem zweiten Hydrauliksystem in den Arbeitsraum 21 geleitet, während es aus den Arbeitsräumen 20 und 23 verdrängt wird. Der Antrieb der Lenkwelle 5 ist insoweit (gleiche Drücke in beiden jeweils druckbeaufschlagten Arbeitsräu­ men vorausgesetzt) symmetrisch, so daß keine wesentlichen Querkräfte auf die Lagerung 4 einwirken. Die Abstützung der Lenkwelle 5 in den Lagern 4 kann deshalb relativ ge­ ring ausfallen.

Die Drehwinkelsensoren 31 und 32 informieren die Steue­ rung der ersten und zweiten Hydrauliksysteme jederzeit darüber, in welcher Stellung sich die Lenkwelle 5 und da­ mit die Kolben 6, 7 gerade befinden. Ein Lenkbefehl, der von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs über ein Lenkrad ab­ gegeben wird, kann dann als Sollwert mit dem von den Sen­ soren 31 und 32 übermittelten Ist-Werten verglichen wer­ den und in ein entsprechendes Steuersignal umgewandelt werden. Dieses Steuersignal wird in einen Hydraulik- Volumenstrom umgesetzt, der die entsprechende Drehwinke­ länderung der Lenkwelle 5 bis zum Erreichen des Sollwer­ tes bewirkt.

Beim Ausfall eines von beiden Hydrauliksystemen steht in dem Radwinkelstellantrieb noch immer ein voll funktions­ fähiger Arbeitskolben mit dazugehöriger Hydraulik zur Verfügung. Während der jeweils zweite Arbeitskolben des ausgefallenen Systems leer mitbewegt werden muß, was bei­ spielsweise über druckabhängig öffnende Bypassventile er­ folgen kann. Die Dimensionierung der Hydraulikanlage und der Arbeitskolben 6, 7 muß aus Sicherheitsgründen so ge­ wählt werden, daß ein Arbeitskolben 6, 7 jederzeit in der Lage ist, die Lenkung des Nutzfahrzeuges aufrecht zu er­ halten und damit die Lenkbarkeit zu gewährleisten. Die Dimensionierung kann jedoch so klein gewählt werden, daß mit einem ausgefallenen Hydraulikkreis nicht mehr die ma­ ximal erforderlichen Lenkkräfte aufgebracht werden kön­ nen, wie sie beispielsweise beim Rangieren des voll bela­ denen Fahrzeugs im Stand auftreten. Diese Einschränkung stellt keine Beschränkung der Sicherheit gegenüber den derzeit bekannten Nutzfahrzeuglenkungen dar. Bei den be­ kannten Nutzfahrzeuglenkungen, die als Kugelumlauflenkun­ gen mit Servounterstützung ausgeführt sind, kann zwar über die mechanische Zwangskopplung zwischen dem Lenkrad und der Lenkwelle auch bei ausgefallener Servolenkung ei­ ne Lenkbarkeit des Nutzfahrzeuges gewährleistet werden. Die auftretenden Handkräfte sind jedoch bei voll belade­ nem Fahrzeug im Stand auch so groß, daß das Fahrzeug mit ausgefallenem Servosystem in diesem Zustand nicht lenkbar ist. In jedem Fall ist die Lenkbarkeit und die jeweils auftretende Handkraft beim Ausfall eines von beiden Hy­ draulikkreisen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Radwinkelstellers mindestens so gut gewährleistet wie bei den derzeit bekannten Servolenkungen für Nutzfahrzeuge.

Der insoweit beschriebene Radwinkelsteller kann ohne we­ sentliche Änderungen am Fahrzeug anstelle der herkömmli­ chen Lenkgetriebe eingebaut werden. Die Achsgeometrie so­ wie die vorgesehenen Befestigungspunkte können beibehal­ ten werden.

Eine andere Ausführungsform, die von den Abmessungen her Vorteile bieten kann, kann beide Arbeitskolben auf der­ selben Seite der Lenkwelle 5 vorsehen. Der Radwinkelstel­ ler wird dann flacher, die Querkräfte auf die Lenkwelle im Ritzelbereich steigen jedoch an.

Claims (10)

1. Radwinkelstellantrieb für ein Kraftfahrzeug, mit ei­ nem Lenkgehäuse (1), einer in dem Lenkgehäuse (1) drehbar gelagerten Lenkwelle (5) mit einer Ab­ triebseite sowie mit einer der Lenkwelle (5) zuge­ ordneten Verzahnung (11) und ohne eine mechanische Zwangskopplung einer Lenksäule mit der Lenkwelle (5), dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lenkgehäuse (1) ein erster Arbeitskolben (6) und ein zweiter Arbeitskolben (7) vorgesehen sind, die über ein Fluid antreibbar sind und die gemeinsam auf die Lenkwelle (5) wirken.

2. Radwinkelstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben (6, 7) linear wirkende Hydraulikkolben mit je zwei Arbeitsräumen (20, 22; 21, 23) sind.

3. Radwinkelstellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ar­ beitskolben (6, 7) je eine Zahnstange (10) tragen, die mit der Verzahnung (11) der Lenkwelle (5) stän­ dig in Eingriff steht.

4. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zahnstangen (10) einander zugewandt in dem Lenkgehäuse (1) ausgerichtet sind und zwi­ schen sich die Verzahnung (11) der Lenkwelle (5) einschließen.

5. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß je ein Arbeitsraum (20, 22) des einen Ar­ beitskolbens (6) mit dem bezüglich der Lenkwelle (5) diametral gegenüberliegenden Arbeitsraum (23, 21) des anderen Arbeitskolbens (7) funktional zusammenge­ schaltet ist.

6. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Arbeitsräume (20, 22; 21, 23) jedes Arbeitskolbens (6, 7) eine im Durchmesser ge­ ringfügig unterschiedliche Bohrung (2, 3) aufweisen.

7. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lenkwelle (5) wenigstens ein Dreh­ winkelsensor (31, 32) zugeordnet ist, der vorzugswei­ se koaxial zu der Lenkwelle (5) und der Abtriebseite (30) gegenüber angeordnet ist.

8. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Lenkgehäuse (1) zwei Zylinderbohrun­ gen (2, 3) für die Aufnahme der Arbeitskolben (6, 7) trägt, wobei die jeweilige Zylinderwandung und je ein Zylinderkopf mit dem Lenkgehäuse einstückig ist.

9. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der jeweils andere Zylinderkopf der bei­ den Zylinder (2, 3) von einem Verschlußdeckel (12, 13) gebildet ist.

10. Radwinkelstellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuleitung des Fluides in die Ar­ beitsräume (20, 22; 21, 23) der Arbeitskolben (5, 6) über Bohrungen (24, 26; 25, 27) erfolgt, die in den Zy­ linderköpfen der Zylinder (2, 3) angeordnet sind.