DE19947266A1 - Hydraulische Servolenkung mit Lenkungsdämpfer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servolenkung, bei der zwischen einem Servomotor 20, 21 und einem Servoventil 31 zumindest eine Dämpferventilanordnung 37 vorgesehen ist, mit einem nach Art eines Rückschlagventils arbeitenden Ventilelement, das in Abhängigkeit von einem Antriebsmittel in eine geschlossene Stellung und in eine offene Stellung bewegbar ist. Eine flexibel steuerbare Dämpfung ist möglich, wenn das Antriebsmittel ein elektrischer Aktor ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servolenkung, bei der zwischen einem Servomotor und einem Servoventil zumindest eine Dämpferventilanordnung vorgesehen ist.

Derartige Servolenkungen sind aus der DE 196 51 500 be­ kannt. Bei der bekannten Servolenkung wird die Dämpfer­ ventilanordnung über eine Bimetallfeder betätigt. Außer­ dem sind aus dem Stand der Technik - Dämpferventilanordnungen bekannt, bei denen Elemente aus einem Formgedächtnismetall die Dämpfungswirkung tempera­ turabhängig variieren.

Mit den Dämpfungsventilanordnungen nach dem Stand der Technik sind bei Servolenkungen rein temperaturabhängige Änderungen der Dämpfungswirkung möglich. Weitere Ein­ griffs- oder Steuerungsmöglichkeiten sind nicht gegeben.

Insbesondere kann der Temperaturgang der Dämpfung auch nur unvollkommen an die Erfordernisse eine speziellen Kraftfahrzeugs angepasst werden.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Servolenkung dahingehend zu verbessern, daß sie die Dämp­ fung schaltbar und variierbar ist. Diese Aufgabe wird von einer Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst.

Weil das Antriebsmittel des dämpfenden Ventilelements ein elektrischer Aktor ist, kann die Dämpfungswirkung elek­ trisch ein- und ausgeschaltet werden und gegebenenfalls variiert werden. Eine reine zwangsweise Abhängigkeit von einer Temperatur ist nicht mehr gegeben.

Mit Vorteil wird als Antriebsmittel ein elektrochemischer Aktor verwendet. Ein derartiges Bauelement ist kompakt, relativ einfach anzusteuern und von seiner Kennlinie und von seinem Zeitverhalten her für die Anwendung in einer Kraftfahrzeugservolenkung geeignet.

Eine große Variabilität der Dämpfung ergibt sich, wenn das Ventilelement entlang einem Stellweg mehrere Stellun­ gen zwischen der geschlossenen Stellung und der offenen Stellung einnehmen kann, insbesondere stufenlos verstell­ bar ist. Die Dämpfung kann dann mit einer beliebig wähl­ baren Kennlinie variiert werden. In der Praxis ist von Vorteil, wenn insgesamt zwei Dämpferventilanordnungen vorgesehen sind. So können bei Servolenkungen mit, zwei Arbeitsräumen beide Arbeitsräume separat gedämpft und eingestellt werden.

Wenn eine Steuerung vorgesehen ist, die die Stellung des Ventilelements auf dem Stellweg parameterabhängig, insbe­ sondere abhängig von einer Temperatur, einer Viskosität, der gefahrenen Geschwindigkeit und/oder des Lenkwinkels festlegt, ist eine Anpassung der Dämpfung an verschiedene Fahrzustände, Betriebszustände oder Umgebungseinflüsse möglich.

Schließlich ist vorteilhaft, wenn der Steuerung eine Ein­ gabemöglichkeit für eine benutzerabhängige Einstellung zugeordnet ist. Hiermit wird dem Fahrer die Möglichkeit gegeben, die Dämpfung der Servolenkung nach seinen Be­ dürfnissen anzupassen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen elektrochemischen Aktor in Verbindung mit einem Dämpfungsventil für eine Kraftfahrzeugser­ volenkung in zwei Betriebszuständen; sowie

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungs­ gemäßen Kraftfahrzeugservolenkung mit verschiedenen Nebenaggregaten.

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines elektro­ chemischen Aktors 1, der mit einem Rückschlagventil 2 kombiniert ist. Dabei ist die Anordnung in der linken Hälfte der Fig. 1 im aktiven Zustand und in der rechten Hälfte der Fig. 1 im inaktiven Zustand dargestellt.

Der elektrochemische Aktor 1, wie er beispielsweise von der Firma FRIWO Silberkraft, Duisburg, Deutschland, unter der Typenbezeichnung SK4-250-AF angeboten wird, weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse 3 auf, in dem ein Ar­ beitsraum 4 angeordnet ist. Bei Beaufschlagung mit elekt­ rischem Strom dehnt sich ein im Arbeitsraum 4 angeordne­ tes Medium aus und betätigt über eine Membran 5 ein Stellelement 6, das einen Arbeitshub in der Richtung 7 ausübt. Das Stellelement 6 wirkt dabei über eine Schrau­ benfeder 8 auf ein Ventilelement 9 in Gestalt einer kreisförmigen Scheibe.

Das Ventilelement 9 kann in Axialrichtung unter der Fe­ derkraft der Schraubenfeder 8 auf einen Ventilkörper 10 gepreßt werden.

Der Ventilkörper 10 weist achsparallele Bohrungen 11 auf, die von dem Ventilelement 9 im aktiven Zustand der Fig. 1 links bis auf einen nicht dargestellten Bypass ver­ schlossen werden. Im inaktiven Zustand, der in der Fig. 1 rechts dargestellt ist, ist das Stellelement 6 des Ak­ tors 1 in seiner Ruhestellung gegenüber dem Ventilkörper 10 nach oben verfahren. Eine zweite Schraubenfeder 12, die in Axialrichtung bezüglich des Ventilelements 9 ge­ genüber der Schraubenfeder 8 angeordnet ist, hebt dabei das Ventilelement 9 von dem Ventilkörper 10 ab. Die An­ ordnung bildet insgesamt ein ansteuerbares Rückschlagven­ til 37'.

Die Fig. 2 zeigt eine an sich bekannte Servolenkung ei­ nes Kraftfahrzeugs in der Bauform einer Zahnstangenlen­ kung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Die Servolenkung umfaßt ein Lenkgehäuse 20, in dem ein Arbeitskolben 21 zur Bildung von zwei Arbeitsräumen 22 und 23 angeordnet ist. Der Arbeitskolben 21 wiederum be­ wegt eine Zahnstange 24, zwei Spurstangen 25 sowie die damit verbundenen gelenkten Räder 26 des Kraftfahrzeuges. Der Fahrer betätigt über ein Lenkrad 27 und eine Lenksäu­ le 28 ein Lenkritzel 29, das mittelbar auf die Zahnstange 24 wirkt. Das dort eingeleitete Drehmoment wird über ei­ nen Drehmomentsensor 30 ermittelt und zur Steuerung eines Servoventils 31 genutzt. Die Servounterstützung wird von einer Hydraulikpumpe 32 über ein Rückschlagventil 33 und einen Druckspeicher 34 aus einem Vorratsbehälter 35 für Hydraulikflüssigkeit bereitgestellt. Dabei wird je nach Stellung des Servoventils 31 die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit über Hydraulikleitungen 36 sowie zwei baugleiche Dämpfungsventilanordnungen 37 in die Ar­ beitsräume 22, 23 geleitet. Die Dämpfungsventilanordnun­ gen 37 sind dabei von jeweils einem dicht schließenden, elektrisch betätigbaren Rückschlagventil 37' und einer Drosselbohrung 37" gebildet. Die ansteuerbaren Rück­ schlagventile 37' stehen über elektrische Verbindungslei­ tungen 38 mit einer elektronischen Steuerung 39 in Ver­ bindung. Die Steuerung 39 wiederum erhält von an sich be­ kannten Sensoren Eingangssignale 40 über die Geschwindig­ keit v des Kraftfahrzeugs, die Temperatur T der Hydrau­ likflüssigkeit sowie den aktuellen Lenkwinkel α. Nach Be­ darf können auch weitere Eingangsgrößen ausgewertet wer­ den.

Im Betrieb wird zunächst von der Hydraulikpumpe 32 im Druckspeicher 34 der erforderliche Hydraulikdruck aufge­ baut. Wird dann eine Lenkbewegung am Lenkrad 27 eingelei­ tet und am Drehmomentsensor 30 eine gewisse Handkraft festgestellt, so wird das Servoventil 31 in eine Stellung bewegt, in der Hydraulikflüssigkeit entweder in den Ar­ beitsraum 22 oder in den Arbeitsraum 23 strömt. Aus dem jeweils anderen Arbeitsraum 23, 22 strömt dann Hydraulik­ flüssigkeit zurück in den Vorratsbehälter 35. Dabei wird für den aktiven, mit Druck beaufschlagten Arbeitsraum die Hydraulikflüssigkeit durch das Rückschlagventil 37' ge­ fördert, während die zurückströmende Hydraulikflüssigkeit durch die Drosselbohrung 37" strömt. Schnelle Bewegungen der gelenkten Räder 26 und damit der Zahnstange 24 und des Arbeitskolbens 21 werden über die Dämpferventilanord­ nung 37 hydraulisch gedämpft. Hierbei sind zwei Fälle zu unterscheiden:

• 1. Die Hydraulikflüssigkeit ist kalt. Hier reicht die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit in Verbindung mit dem Strömungswiderstand in den Leitungen 36 so­ wie dem Servoventil 31 aus, um die Lenkung in aus­ reichender Weise zu dämpfen. Zur Vermeidung einer zu großen Dämpfung wird das Rückschlagventil 37' geöff­ net.
• 2. Bei warmer oder heißer Hydraulikflüssigkeit ist die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit so gering, daß auch schnelle Bewegungen des Arbeitskolbens 21 mög­ lich werden. Um dies zu verhindern, werden die Rück­ schlagventile 37' geschlossen, so daß das Hydrau­ likfluid zwangsweise durch die Drosselbohrungen 37" strömen muß. Der dabei zur Verfügung stehende gerin­ ge Querschnitt bewirkt ebenfalls eine ausreichende Dämpfung.

Im ersten beschriebenen Zustand, bei dem das Rückschlag­ ventil 37' in beide Strömungsrichtungen offen ist, befin­ det sich der elektrochemische Aktor 1 in dem inaktiven Zustand gemäß der rechten Darstellung der Fig. 1. Die Hydraulikflüssigkeit kann dabei entlang dem Strömungsweg I an dem Ventilelement 9 vorbei durch die Bohrung 11 zu­ rück zum Servoventil fließen. In der entgegengesetzten Richtung, also in der Fig. 1 von unten nach oben, kann das Hydraulikfluid das Ventilelement 9 von dem Ventilkör­ per 10 ohnehin unter Kompression der Schraubenfeder 8 ab­ heben.

Um von dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand zu gelangen, der dem oben unter 2 beschriebenen Betriebszu­ stand entspricht, wird der elektrochemische Aktor 1 von der Steuerung 39 über die Anschlußleitung 38 mit Strom beaufschlagt. Das im Arbeitsraum 4 befindliche Medium 4 dehnt sich aus und das Stellelement 6 verfährt in der Fig. 1 nach unten. Dadurch wird die zweite Schraubenfeder 12 komprimiert und das Ventilelement 9 liegt an dem Ven­ tilkörper 10 an, so dass in der Strömungsrichtung I die Ventilbohrung 11 geschlossen ist. Das aus dem Arbeitsraum 22, 23 in Richtung auf das Servoventil 31 strömende Hydraulikfluid muss dann zwangsweise durch die Drossel­ bohrungen 37" fließen. Dies führt auch bei Hydraulik­ flüssigkeiten mit hoher Temperatur und geringer Viskosi­ tät zu der erwünschten Dämpfung. In der Gegenrichtung, also bei einer Durchströmung der Ventilbohrung 11 von un­ ten nach oben, wird das Ventilelement 9 wieder vom Ven­ tilkörper 10 abgehoben, die Ventilbohrung 11 geöffnet und es steht ein ausreichender freier Querschnitt für das in Richtung auf den Arbeitsraum 22, 23 strömende Fluid zur Verfügung.

Im Gegensatz zu bekannten temperaturabhängigen Dämpfungs­ elementen kann bei der erfindungsgemäßen Lenkung die Steuerung 39 den elektrochemischen Aktor 1 in nahezu be­ liebiger Weise mit Strom beaufschlagen oder ihn entlas­ ten, so daß der aktive und der inaktive Zustand der Fig. 1 beliebig gewählt werden kann. So kann beispielsweise unmittelbar nach dem Start des Kraftfahrzeugs bei kalter Servolenkung der inaktive Zustand eingenommen werden. Nach einiger Betriebszeit erwärmt sich die Hydraulikflüs­ sigkeit, was entweder zeitabhängig oder über einen Tempe­ raturfühler 40 ermittelt wird. Bei ausreichend erwärmtem Hydraulikfluid können dann die Dämpfungsvorrichtungen, genauer gesagt die Rückschlagventile 37' in den aktiven Zustand verfahren werden, so daß eine ausreichende Dämp­ fung der Lenkung gewährleistet bleibt, ohne daß im kalten Zustand ein mangelhaftes Ansprechverhalten der Lenkung zu befürchten ist.

Außer dem beschriebenen Verhalten in Abhängigkeit von Zeit oder Temperatur der Hydraulikflüssigkeit kann auch ein anderer Satz von Eingangssignalen 40 ausgewertet wer­ den. So kann beispielsweise bei hoher Fahrgeschwindigkeit oder bei kleinen Lenkwinkeln der elektrochemische Aktor 1 in den aktiven Zustand verfahren werden, so dass insbe­ sondere im Geradeauslauf oder bei Autobahnfahrten eine gute Lenkungsdämpfung erreicht wird. Ein besonders schnelles Ansprechen der Lenkung auch bei warmem Fluid kann im Stadtverkehr oder beim Rangieren erwünscht sein, so dass in diesen Betriebszuständen, die durch große Lenkwinkel α und geringe Geschwindigkeiten V gekennzeich­ net sind, der inaktive Zustand des elektrochemischen Ak­ tors 1 eingenommen werden kann. Je nach Auslegung des Rückschlagventils 37' und der Steuerung 39 können auch Zwischenzustände zwischen dem aktiven und dem inaktiven Zustand gemäß Fig. 1 gewählt werden, so daß ein geringer Abstand zwischen dem Ventilelement 9 und dem Ventilkörper 10 einen Strömungswiderstand darstellt, der zwischen den beiden in der Fig. 1 dargestellten Extremwerten liegt. Dies kann zu einer Modulation der Dämpfungseigenschaften genutzt werden.

Schließlich kann die Steuerung 39 über eine Eingabeein­ heit von dem Fahrer direkt angesteuert werden, so daß der Fahrer selbst zwischen großer und kleiner Dämpfung vari­ ieren kann.

Neben den elektrochemischen Aktoren sind auch andere elektromechanische Aktoren verwendbar. Der elektrochemi­ sche Aktor ist jedoch im Hinblick auf sein Zeitverhalten und sein Gewicht sowie eine besonders einfache Ansteue­ rung derzeit bevorzugt.

Claims (7)

1. Hydraulische Servolenkung, bei der zwischen einem Servomotor (20,21) und einem Servoventil (31) zumin­ dest eine Dämpferventilanordnung (37) vorgesehen ist, mit einem nach Art eines Rückschlagventils ar­ beitenden Ventilelement (9), das in Abhängigkeit von einem Antriebsmittel (1) in eine geschlossenen Stel­ lung und in eine offene Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel (1) ein elektrischer Aktor ist.

2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Antriebsmittel (1) ein elektrochemischer Aktor ist.

3. Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (9) entlang einem Stellweg mehrere Stellungen zwi­ schen der geschlossenen Stellung und der offenen Stellung einnehmen kann, insbesondere stufenlos ver­ stellbar ist.

4. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt zwei Dämpferventilanordnungen (37) vorge­ sehen sind.

5. Servolenkung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Dämpferventilanord­ nungen (37) gleichzeitig und im gleichen Umfang elektrisch angesteuert werden.

6. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (39) vorgesehen ist, die die Stellung des Ventilelements (9) auf dem Stellweg parameterab­ hängig, insbesondere abhängig von einer Temperatur, einer Viskosität, der gefahrenen Geschwindigkeit und/oder des Lenkwinkels festlegt.

7. Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerung (39) eine Eingabemöglichkeit für eine benutzerabhängige Einstellung zugeordnet ist.