DE19950926A1 - Servolenkung für ein Kraftfahrzeug mit Ventilbetätigung über eine biegsame Welle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit folgenden Merkmalen: DOLLAR A - einem Lenkrad (1), DOLLAR A - einer mit dem Lenkrad (1) drehfest verbundenen Lenksäule (2), DOLLAR A - mit einem der Lenksäule (2) zugeordneten Lenkwinkelsensor (3), DOLLAR A - mit einem hydraulischen Radwinkelstellantrieb (12), der mittels einer Hydraulikventilanordnung (5) zur Betätigung von gelenkten Rädern (14) einer Achse ansteuerbar ist, DOLLAR A - mit einer Steuerung (15), die in Abhängigkeit von einem Signal des Lenkwinkelsensors (3) zur Ansteuerung der Hydraulikventilanordnung (5) vorgesehen ist, DOLLAR A - wobei die Hydraulikventilanordnung (5) ein erstes mechanisch betätigbares Ventilglied (20) und ein zweites, vorzugsweise elektrisch betätigbares Ventilglied (22) aufweist und DOLLAR A - wobei wenigstens eine biegsame Welle (4) zur mechanischen Übertragung einer Drehbewegung der Lenksäule (2) zu dem mechanisch betätigbaren Ventilglied (20) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge.

Aus dem Stand der Technik sind Servolenkungen bekannt, bei denen zwischen einem Lenkrad und einem Lenkgetriebe eine drehfeste Lenksäule vorgesehen ist, die zur Übertra­ gung des gesamten erforderlichen Drehmoments eingerichtet ist, so dass die Lenkung auch ohne Servounterstützung ma­ nuell bewegt kann. Bei derartigen Lenkungen ist von Nach­ teil, dass für die drehfeste Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe ein annähernd gerade verlau­ fender, freier Bauraum bei der Konstruktion des Kraft­ fahrzeugs reserviert werden muss. Weiter ist von Nach­ teil, dass bei einem Frontaufprall die Gefahr des Ein­ dringens der Lenksäule in den Fahrgastraum besteht.

Weiter sind Servolenkungen bekannt, bei denen das Lenkrad mit einem Lenkwinkelsensor versehen ist und die Stellbe­ wegung auf die gelenkten Räder des Fahrzeugs von einem Servomotor erzeugt wird. Es besteht keine drehfeste me­ chanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkge­ triebe. Bei diesen Lenkungen ist von Vorteil, dass die wegfallende direkte Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe größere konstruktive Freiheiten bei der Planung des Kraftfahrzeugs ermöglicht und außerdem die Gefahr von Intrusionen in die Fahrgastzelle bei einem Frontalaufprall gemindert ist. Bei diesen Lenkungen ist es jedoch erforderlich, zahlreiche verschiedene Elemente redundant, gegebenenfalls sogar mehrfach redundant vorzu­ sehen, um die volle Lenkfähigkeit des Kraftfahrzeugs bei Ausfall eines primären Systems zu gewährleisten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei der in einfacher Weise eine Notlauffunktion für den Ausfall des Hauptservoantriebes realisiert ist, wobei der bei der Konstruktion zu reservierende Bauraum gering ist und bei der eine Gefährdung des Fahrers bei einem Frontalaufbau durch Teile der Lenkung minimiert ist.

Die Aufgabe wird von einer Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weil die Lenkung mit folgenden Merkmalen versehen ist:

• - einem Lenkrad,
• - einer mit dem Lenkrad drehfest verbundenen Lenksäule,
• - mit einem der Lenksäule zugeordneten Lenkwinkelsensor,
• - mit einem hydraulischen Radwinkelstellantrieb, der mit­ tels einer Hydraulikventilanordnung zur Betätigung von gelenkten Rädern einer Achse ansteuerbar ist,
• - wobei die Hydraulikventilanordnung ein erstes mecha­ nisch betätigbares Ventilglied und ein zweites, vor­ zugsweise elektrisch betätigbares Ventilglied aufweist und
• - wobei eine biegsame Welle zur mechanischen Übertragung einer Drehbewegung der Lenksäule zu dem mechanisch be­ tätigbaren Ventilglied vorgesehen ist,

ist bei einem Ausfall des primären Servoantriebs eine Notlauffunktion allein mit mechanisch-hydraulischen Kom­ ponenten gewährleistet. Die biegsame Welle weist dabei eine so geringe Steifigkeit in Längsrichtung auf, dass eine Gefährdung des Fahrers durch dieses Bauelement bei einem Frontalaufprall ausscheidet. Der für die biegsame Welle vorgesehene Bauraum kann außerdem nahezu beliebig gekrümmt sein.

Dabei ist von Vorteil, wenn die Hydraulikventilanordnung als mechanisch betätigbares Ventil, das mit der biegsamen Welle drehfest verbunden ist, ein Drehschieberventil um­ fasst. Derartige Ventile sind aus dem Lenkungsbau bekannt und erprobt. Sie zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und Präzision aus.

Es ist weiter vorgesehen, dass die Hydraulikventil­ anordnung als elektrisch betätigbares Ventilglied wenigs­ tens ein von der Steuerung betätigbares Steuerventil auf­ weist, das hydraulisch parallel zu dem mechanisch betä­ tigbaren Ventilglied geschaltet ist. Das Steuerventil kann dabei ein elektrisch betriebenes Proportionalventil sein.

Besondere Vorteile hinsichtlich Bedienung und Sicherheit ergeben sich, wenn der Radwinkelstellantrieb im Normalbe­ trieb des Kraftfahrzeugs über das Steuerventil angesteu­ ert wird und bei einem Ausfall des Steuerventils, der Steuerung oder des Lenkwinkelsensors der Radwinkelstell­ antrieb von dem mechanisch betätigbaren Ventilglied ange­ steuert wird.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass insgesamt zwei biegsame Wellen vorgesehen sind, die gegeneinander auf Torsion vorgespannt sind. So wird im Gegensatz zu einer einfachen Welle eine Torsion um die Mittellage und ein damit verbundenes indirektes Lenkverhalten vermindert.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug in ei­ ner schematischen Darstellung; sowie

Fig. 2 die Servolenkung gemäß Fig. 1 in einer detail­ lierteren Darstellung der hydraulischen Elemen­ te.

In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeuglenkung veranschaulicht. Ein Lenkrad 1 ist mit einer kurzen Lenksäule 2 drehfest verbunden. Die Lenksäule 2 trägt einen Lenkwinkelsensor 3 sowie eine biegsame Welle 4, die an einem Ende drehfest mit dem Lenkrad 1 verbunden ist. An ihrem anderen Ende ist die biegsame Welle 4 mit einer Hydraulikventilanordnung 5 verbunden. Die Hydraulikventilanordnung 5 ihrerseits ist in an sich bekannter Weise mit einem Vorratsbehälter 6, einer Hydraulikpumpe 7 sowie mit zwei Hydraulikleitungen 8 und 9 versehen. Die Hydraulikleitungen 8 und 9 münden in Arbeitsräume 10 und 11 eines Hydraulikstellmotors 12. Der Hydraulikstellmotor 12 wiederum betätigt über seine axial verschiebliche Kolbenstange 13 die gelenkten Räder 14 des Kraftfahrzeugs.

Die Hydraulikventilanordnung 5 wird von einem Steuergerät 15 angesteuert, dass eingangsseitig Signale des Lenkwin­ kelsensors 3 erhält und ansonsten in bekannter Weise aus­ geführt ist.

In der Fig. 2 ist die Servolenkung gemäß Fig. 1 in ei­ ner vergrößerten Darstellung als Blockschaltbild veran­ schaulicht. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugszif­ fern.

Die Hydraulikventilanordnung 5, die hydraulisch mit dem Vorratsbehälter 6, der Pumpe 7 und den Hydraulikleitungen 8 und 9 sowie mechanisch mit der biegsamen Welle 4 und elektrisch mit der Steuerung 15 in Verbindung steht, weist nach diesem Ausführungsbeispiel ein über die bieg­ same Welle 4 angetriebenes mechanisches Proportionalven­ til 20 auf sowie ein in Abhängigkeit von der Steuerung über ein Solenoid 21 angetriebenes Proportionalventil 22 auf. Die Ventile 20 und 22 sind dabei hydraulisch paral­ lel geschaltet.

Im Betrieb des Kraftfahrzeugs wird von der Hydraulikpumpe 7 in an sich bekannter Weise ein Druck aufgebaut, der an den Ventilen 20 und 22 ansteht. Bei Betätigung des Lenk­ rades 1 wird an dem Lenkwinkelsensor 3 ein Sollwinkelsig­ nal erzeugt und über die in der Fig. 2 unterbrochen mit S gekennzeichnete Steuerleitung an die Steuerung 15 über­ mittelt. Diese betätigt über den Solenoid 21 das Ventil 22 in der Weise, dass je nach gewählter Lenkrichtung der hydraulische Druck über die Hydraulikleitung 8 in der Ar­ beitsraum 10 oder über die Hydraulikleitung 9 in den Ar­ beitsraum 12 gelangt. Dabei bewegt sich die Kolbenstange 13 nach rechts bzw. links in der Darstellung gemäß Fig. 2. Der aus dem nicht mit Druck beaufschlagten Arbeitsraum 11,10 verdrängte Anteil an Hydraulikflüssigkeit fließt über die jeweils ebenso nicht mit Druck beaufschlagte Leitung 9,8 in den Vorratsbehälter 6 zurück. Wenn die Be­ wegungsrichtung der Kolbenstange 13 umgekehrt werden soll, verfährt das Ventil 22 als elektrisches Ventilglied der Hydraulikventilanordnung 5 in die jeweils andere durchgängige Position, so dass sich die Druckverhältnisse in den Arbeitsräumen 10 und 11 umkehren. Stimmt der Soll­ winkel mit dem Ist-Winkel überein, so verfährt das Ventil 22 in Abhängigkeit von der Steuerung 15 in die vollstän­ dig geschlossene Stellung, die auch die Ruheposition dar­ stellt. Das Ventil 22 ist von einer Schraubenfeder 25 in diese Position vorgespannt.

Bei einem Ausfall des Lenkwinkelsensors 3, der Steuerung 15, des Solenoids 21 oder des Ventils 22 steht dieser Steuerungskreis nicht zur Verfügung. In diesem Fall wird über die biegsame Welle 4 die Drehbewegung des Lenkrades 1 auf das Ventil 20 als mechanisches Ventilglied der Hyd­ raulikventilanordnung 5 übertragen. Das mechanische Ven­ til 20 ist dabei nach einer bevorzugten Ausführungsform ein an sich bekanntes Drehschieberventil mit einem Dreh­ schieber und einer den Drehschieber umgebenden Steuer­ buchse, die über eine Torsionsfeder miteinander verbunden sind. Der Drehschieber ist drehfest mit der biegsamen Welle 4 verbunden, während die Steuerbuchse sich in Ab­ hängigkeit von dem tatsächlich eingenommenen Radwinkel der gelenkten Räder 14 dreht. Im Normalbetrieb tritt auf­ grund der elektrischen Steuerung des Stellantriebes 12 kein nennenswerter Differenzwinkel zwischen dem Lenkrad 12 und dem Radwinkel, d. h. genauer gesagt zwischen dem Drehschieber und der Steuerbuchse auf. Das Ventil bleibt also im Normalbetrieb im wesentlichen geschlossen. Die über die biegsame Welle 4 übertragenen Kräfte sind ver­ nachlässigbar. Bei Ausfall der elektrischen Steuerung tritt aufgrund des an der biegsamen Welle 4 eingeleiteten Drehmoments eine Verdrehung des Drehschiebers gegenüber der Steuerbuchse ein, die in der aus hydraulisch unter­ stützten Zahnstangenlenkungen bekannten Weise einen Strom von Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikleitung 8 und den Arbeitsraum 10 bzw. die Hydraulikleitung 9 und den Arbeitsraum 11 leitet. Die so eingeleitet Lenkbewegung der gelenkten Räder 14 führt die Steuerbuchse des Dreh­ schieberventils nach, so dass der Differenzwinkel zurück­ geführt wird. Die Lenkung arbeitet dann im wesentlichen so wie eine herkömmliche hydraulisch unterstützte Servo­ lenkung. Das über die biegsame Welle 4 übertragene Dreh­ moment bleibt klein.

Der für diese Notlauffunktion erforderliche Hydraulik­ druck kann aus der gemeinsamen Hydraulikpumpe 7 stammen, die von einem Hauptantriebsmotor des Kraftfahrzeugs un­ mittelbar angetrieben wird. Er kann auch aus einer zwei­ ten, unabhängig von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Pumpe entnommen werden (Elektroantrieb, Antrieb über die Radantriebswellen) oder aus einem ausreichend groß dimen­ sionierten Druckspeicher stammen.

Vorteile bei der vorliegenden Anordnung sind die sehr einfache Gestaltung der rein hydraulisch-mechanischen Notlauffunktionen mit wenigen an sich bekannten Komponen­ ten sowie die große Sicherheit, die sich aufgrund der wegfallenden starren Verbindung zwischen Lenkgetriebe und Lenkrad im Falle eines Frontalaufpralls ergibt.

Claims (5)

1. Kraftfahrzeuglenkung mit folgenden Merkmalen:

• - einem Lenkrad (1),
• - einer mit dem Lenkrad (1) drehfest verbundenen Lenksäule (2),
• - mit einem der Lenksäule (2) zugeordneten Lenkwin­ kelsensor (3),
• - mit einem hydraulischen Radwinkelstellantrieb (12), der mittels einer Hydraulikventilanordnung (5) zur Betätigung von gelenkten Rädern (14) einer Achse an­ steuerbar ist,
• - mit einer Steuerung (15), die in Abhängigkeit von einem Signal des Lenkwinkelsensors (3) zur Ansteue­ rung der Hydraulikventilanordnung (5) vorgesehen ist,
• - wobei die Hydraulikventilanordnung (5) ein erstes mechanisch betätigbares Ventilglied (20) und ein zweites, vorzugsweise elektrisch betätigbares Ventil­ glied (22) aufweist und
• - wobei wenigstens eine biegsame Welle (4) zur mecha­ nischen Übertragung einer Drehbewegung der Lenksäule (2) zu dem mechanisch betätigbaren Ventilglied (20) vorgesehen ist.

2. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikven­ tilanordnung (5) als mechanisch betätigbares Ventil­ glied (20) ein mit der biegsamen Welle (4) drehfest verbundenes Drehschieberventil umfasst.

3. Kraftfahrzeuglenkung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Hyd­ raulikventilanordnung (5) als zweites, vorzugsweise elektrisch betätigbares Ventilglied (22) wenigstens ein von der Steuerung (15) betätigbares Steuerventil aufweist, das hydraulisch parallel zu dem mechanisch betätigbaren Ventilglied (20) geschaltet ist.

4. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radwinkelstellantrieb (12) im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs über das Steuerventil (22) ange­ steuert wird und bei einem Ausfall des Steuerventils (22), der Steuerung (15) und/oder des Lenkwinkelsen­ sors (3) der Radwinkelstellantrieb (12) von dem me­ chanisch betätigbaren Ventilglied (20) angesteuert wird.

5. Kraftfahrzeuglenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt zwei biegsame Wellen (4) vorgesehen sind, die gegeneinander auf Torsion vorgespannt sind.