DE19956775A1 - Längenvariable Zahnstangenlenkung mit hydraulischer Kupplung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Lenkungsgehäuse 1, in dem eine Zahnstange 2, 3 in Axialrichtung um einen Stellweg verschieblich gelagert ist, sowie mit wenigstens einem auf die Zahnstange 2, 3 wirkenden Servoantrieb 16, wobei die Zahnstange zwei Zahnstangensegmente 2, 3 umfaßt, die unabhängig voneinander um einen Relativweg in Axialrichtung verschieblich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenlenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der Praxis sind Zahnstangenlenkungen bekannt, bei denen die Zahnstange ein einstückiges Bauelement mit endseitigen oder mittigen Anschlüssen für die Spurstangen, sogenanntem Seitenabgriff oder Mittenabgriff, sind. Der Abstand der Anschlüsse voneinander ist bei bekannten Zahnstangenlenkungen nicht variabel. Im Kraftfahrzeugbau kann es jedoch erwünscht sein, während der Fahrt dynamisch die Spur oder den Sturz der gelenkten Achse zu variieren.

Aus der DE 41 15 880 C2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der jeder Anschluss der Zahnstange ein separates hydraulisches Element trägt, das bei Druckbeaufschlagung auf einem kurzen Stellweg die eingestellte Vorspur des jeweils zugeordneten Rades aufhebt. Diese Vorrichtung dient zur Aufhebung der eingestellten Vorspur bei Kurvenfahrt. Nachteilig ist, dass insgesamt zwei Hydraulikelemente vorzusehen sind, die an der ansonsten einteiligen Zahnstange angebracht sind und die separat angesteuert werden müssen. Weiter ist die insoweit bekannte Vorrichtung nicht dazu vorgesehen, die Vorspureinstellung über einen längeren Zeitraum aufrecht zu erhalten, so dass eine Veränderung der Fahrwerksgeometrie mit der bekannten Vorrichtung nicht erreichbar ist.

Aus der gleichen Druckschrift ist auch eine Zahnstangenlenkung bekannt, bei der eine einteilige Zahnstange hohl ausgeführt ist und eine Spurstange in Längsrichtung der Zahnstange verschieblich in der Zahnstange angeordnet ist. Die Spurstange kann über ein doppelt wirkendes Hydraulikelement innerhalb der Zahnstange verfahren werden. Auf diese Weise kann bei konstantem Abstand der Spurstangenabgriffe der Radwinkeleinschlag der gelenkten Achse ohne Bewegung der Spurstange und damit ohne eine Drehung des zugeordneten Lenkrades variiert werden. Eine Veränderung der Vorderachsgeometrie ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftfahrzeuglenkung dahingehend zu verbessern, dass die Vorderachsgeometrie hinsichtlich Spur und/oder Sturz der gelenkten Räder variabel ist.

Diese Aufgabe wird von einer Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weil die Zahnstange zwei Zahnstangensegmente umfaßt, die unabhängig voneinander um einen Relativweg in Axialrichtung verschieblich sind, kann der Abstand der Spurstangenabgriffe voneinander im Betrieb variiert werden und damit die Vorderachsgeometrie hinsichtlich Spur oder Sturz der gelenkten Räder verändert werden. Dabei ist bei nur geringen Geometrieveränderungen von Vorteil, wenn ein Begrenzungselement für den maximal möglichen Relativweg vorgesehen ist, wobei der Relativweg kleiner ist als der Stellweg. Ein derartiges Begrenzungselement legt unabhängig von äußeren Steuerungsmöglichkeiten den maximal möglichen Relativweg mechanisch fest.

Wenn eine Kupplung mit einer getrennten und einer eingerückten Stellung vorgesehen ist, wobei in der eingerückten Stellung der Relativweg im wesentlichen zu null wird, können die beiden Zahnstangenelemente fest und in einer vorbestimmten Position miteinander gekoppelt werden. Diese Position ist konstruktiv vorgegeben und kann bei der Auslegung der Geometrie der gelenkten Achse berücksichtigt werden. Zur Beaufschlagung der Zahnstangensegmente mit einer Axialkraft unabhängig von den Servoantrieben kann vorgesehen sein, dass den Zahnstangenelementen jeweils ein von einem Kolbenelement und einem Zylinder gebildeter hydraulischer Arbeitsraum zugeordnet ist. Dabei kann die Kupplung von Arbeitsräumen gebildet sein, die bei Beaufschlagung mit Druck die jeweiligen Zahnstangensegmente aufeinander zu drängen. Diese hydraulische Kupplung kann eine hohe Haltekraft ohne mechanische Verschleißteile aufbringen.

Wenn zwischen den Arbeitsräumen eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, die im eingerückten Zustand der Kupplung die Arbeitsräume zur Bildung eines definierten, bei Bewegung entlang des Stellweges im wesentlichen unveränderlichen Volumens verbindet, kann die Position der Zahnstangensegmente zueinander in der eingerückten Stellung fixiert sein, obwohl eine Beweglichkeit der Zahnstangensegmente mit ihren Kolbenelementen relativ zu den jeweiligen Zylindern des hydraulischen Arbeitsraums gewährleistet bleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Zahnstangenlenkung, bei der die Zahnstangensegmente von jeweils einem Servoantrieb zur Betätigung von gelenkten Rädern entlang des Stellweges verfahren werden und die Zahnstangensegmente um den Betrag des Relativwegs unabhängig voneinander verlagert werden, sieht vor, dass im Bedarfsfall der Relativweg zu null wird und die Kupplung zur starren Verbindung der Zahnstangensegmente eingerückt wird. In diesem Fall ist ein fester, konstruktiv vorgegebener Abstand der Spurstangenabgriffe voneinander gewährleistet, der als Grundeinstellung einer gelenkten Achse mit variabler Geometrie eingenommen werden kann. Hierbei ist eine Sicherheitsfunktion gegeben, wenn der Bedarfsfall durch eine Fehlfunktion in einem der beiden Servoantriebe oder der dazugehörigen Sensorik, Steuerung oder Regelung ausgelöst wird. Eine feste, kraftschlüssige Verbindung mit hoher Haltekraft wird erreicht, wenn im Bedarfsfall die Arbeitsräume mit einem Druck eines im wesentlichen inkompressiblen Hydraulikfluids beaufschlagt werden, bis der Relativweg zu null geworden ist und dann die Arbeitsräume volumenkonstant miteinander verbunden werden. Die Lenkfunktion für den Betrieb des Kraftfahrzeugs bleibt gewährleistet, wenn bei Ausfall eines Servoantriebs der jeweils andere Servoantrieb über die eingerückte Kupplung das dem ausgefallenen Servoantrieb zugeordnete Zahnstangensegment mit antreibt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung in einer schematischen Querschnittsdarstellung.

In der Fig. 1 ist eine Zahnstangenlenkung mit einem Lenkgehäuse 1, einem ersten Zahnstangensegment 2 und einem zweiten Zahnstangensegment 3 in einem Querschnitt dargestellt. Die Zahnstangensegmente 2 und 3 sind axial verschieblich in an sich bekannter Weise in dem Lenkungsgehäuse 1 gelagert. Das erste Zahnstangensegment 2 trägt ein ringförmiges Kolbenelement 4, das fest mit dem Zahnstangensegment 2 verbunden ist und in einem Zylinder 5 abdichtend gelagert ist. Das Kolbenelement 4 und der Zylinder 5 begrenzen zusammen mit einer das Zahnstangensegment 2 umgebenden Radialdichtung 6 einen ersten Arbeitsraum 7. In gleicher Weise trägt das zweite Zahnstangensegment 3 ein Kolbenelement 8, das in einem Zylinder 9 gelagert ist. Hier wird gemeinsam mit einer Radialdichtung 10 ein zweiter Arbeitsraum 11 begrenzt.

An ihren freien Enden sind die Zahnstangensegmente 2, 3 mit koaxialen Sackbohrungen 12 versehen, die die an sich bekannten Spurstangenabgriffe bilden. An ihrem den Sackbohrungen 12 gegenüberliegenden Ende weisen die Zahnstangensegmente 2 und 3 jeweils eine nahe dem Ende umlaufend eingestochene Nut 14 auf. In die Nuten 14 greift beiderseits ein klammerartiger Relativwegbegrenzer 15 ein, der die inneren Enden der Zahnstangensegmente 2 und 3 hülsenförmig umgibt. Dabei ist die Breite der Nuten 14 und die axiale Länge des Relativwegbegrenzers 15 so bemessen, dass die Zahnstangensegmente 2 und 3 einander gerade berühren können. Der innerhalb der Nutenbreite maximal mögliche Weg der Zahnstangensegmente 2 und 3 nach außen, also voneinander weg, entspricht dem maximal möglichen Relativweg und damit dem maximal möglichen Hub bei der Veränderung des Abstandes der beiden Spurstangenabgriffe voneinander.

Im Bereich zwischen den Kolben 4 bzw. 8 und dem Relativwegbegrenzer 15 sind in der Fig. 1 zwei elektrisch angetriebene Servomotoren 16 schematisch dargestellt. Diese stehen über Ritzelwellen 17 mit einer nicht dargestellten Verzahnung der Zahnstangensegmente 2 bzw. 3 in Eingriff und treiben diese im Betrieb des Kraftfahrzeugs an. Anstelle der elektrischen Servomotoren 16 können auch hydraulische Servoantriebe vorgesehen sein.

Die Arbeitsräume 7 und 11 stehen über eine Hydraulikleitung 20 permanent miteinander in Verbindung. Von der Hydraulikleitung 20 zweigen eine Hydraulikleitung 21 zu einem Vorratsbehälter 22 sowie eine Hydraulikleitung 23 zu einem Druckspeicher 24 und einer Hydraulikpumpe 25 ab. Die Hydraulikleitung 21 ist über ein elektrisch zu betätigendes Ventil 26 verschließbar, während ein ähnliches Ventil 27 der Hydraulikleitung 23 vorgesehen ist. Zwischen dem Druckspeicher 24 und der Hydraulikpumpe 25 ist weiter ein Rückschlagventil 28 vorgesehen.

Die Servomotoren 16 sowie die Ventile 26 und 27 werden von einer elektronischen Steuerung 30 angesteuert.

Die Arbeitsweise der Kraftfahrzeuglenkung nach diesem Ausführungsbeispiel ist nachfolgend näher beschrieben. Im Normalbetrieb des Kraftfahrzeug werden in herkömmlicher Weise die gelenkten Räder über an den Spurstangen­ abgriffen 12 angeschlossene Spurstangen verschwenkt, indem die Spurstange in Axialrichtung des Lenkgehäuses 1 bewegt wird. Diese Bewegung wird, ausgelöst von der Steuerung oder Regelung 30, über die elektrischen Servomotoren 16 bewerkstelligt. Ein gleichmäßiger Lenkeinschlag der gelenkten Räder wird dabei zumindest bei Geradeausfahrt dadurch erreicht, dass die Servomotoren 16 synchron bewegt werden. Die erforderlichen Steuersignale erhält die Steuerung 30 über nicht dargestellte Eingangssensoren, die mit dem Lenkrad des Kraftfahrzeugs verbunden sind. Wenn in bestimmten Betriebszuständen die beiden gelenkten Räder in beschränktem Maße unabhängig voneinander bewegt werden müssen, werden die Stellmotoren 16 entsprechend angesteuert, so dass sich im Rahmen des von dem Relativwegbegrenzer 15 ermöglichten Relativweges die Spurstangensegmente 2 und 3 aufeinander zu oder voneinander weg bewegen können. Derartige Betriebszustände können beispielsweise vorliegen, wenn bei enger Kurvenfahrt der Spurfehler einer herkömmlichen Lenkgeometrie korrigiert werden soll, wenn bei Fahrzeugen mit aktiver Sturzeinstellung der Vorderachse der Radeinschlagswinkel konstant gehalten werden soll oder wenn zum Beispiel bei einer starken Bremsung die Vorspur variiert werden soll. Die mit Hydraulikfluid gefüllten Arbeitsräume 7 und 11 tauschen bei einer vollkommen synchronen Bewegung das Hydraulikfluid aus, indem es aus einem Arbeitsraum über die Hydraulikleitung 20 in den anderen Arbeitsraum strömt. Bei nicht synchroner Bewegung der Zahnstangensegmente 2 und 3 verändert sich das in den Arbeitsräumen 7, 11 vorhandene Volumen, so dass durch das im Betrieb geöffnete Magnetventil 26 Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsbehälter 21 einströmt oder aus dem Vorratsbehälter 22 entnommen wird. Das Ventil 27 ist im Normalbetrieb geschlossen. Sobald eine Fehlfunktion in einem der beiden Servoantriebe 16 festgestellt wird, ist es erforderlich, die Zahnstangensegmente 2 und 3 starr miteinander zu koppeln, damit kein Spiel in der Übertragung von Lenkkräften auftritt und die Führung eines Rades nicht beeinträchtigt wird. Zu diesem Zweck wird von der Steuerung 30 das Magnetventil 26 geschlossen und das Magnetventil 27 geöffnet, so dass unter Druck stehendes Hydraulikfluid aus dem zuvor von der Pumpe 25 über das Rückschlagventil 28 gefüllten Hydraulikspeicher 24 in die Leitung 20 strömt. Das Hydraulikfluid strömt in die Arbeitsräume 7 und 11 und drückt die beiden Zahnstangensegmente 2 und 3 aufeinander zu. Der Relativweg zwischen den beiden einander zugewandten Enden der Zahnstangensegmente 2 und 3 wird dabei verringert, bis die Enden aneinander anliegen. In diesem Zustand wird das Magnetventil 27 geschlossen, so dass das in den Arbeitsräumen 7 und 11 sowie der Hydraulikleitung 20 enthaltene Volumen konstant ist und aufgrund der Inkompressibilität des Hydraulikfluids die Zahnstangensegmente 2 und 3 starr miteinander gekoppelt sind. Alternativ kann das Magnetventil 27 geöffnet bleiben, solange ein ausreichender Druck der Pumpe 25 an den Arbeitsräumen 7 und 11 anliegt.

Bei der insoweit beschriebenen Vorrichtung wird zweckmäßigerweise der Hydraulikspeicher 24 so groß ausgelegt, dass er ausreichend Hydraulikfluid zur Verfügung stellen kann, um den Relativweg von seinem maximal möglichen Betrag auf null zu reduzieren. Das Rückschlagventil 28 ermöglicht einen intermittierenden Betrieb der Pumpe 25, die nur so lange in Betrieb sein muss, bis der Hydraulikspeicher 24 auf den vorgesehenen Druck gefüllt ist.

In der Praxis können einzelne Komponenten der insoweit beschriebenen Kraftfahrzeuglenkung auch anders ausgelegt werden. So können zum Beispiel die Ventile 26 und 27 so gestaltet werden, dass das Ventil 26 im Ruhezustand geschlossen ist, während das Ventil 27 im Ruhezustand offen ist. Dies bedeutet bei einem Stromausfall in der Steuerung 30, dass der Ausgleich der sich ändernden Volumina der Arbeitsräume 7 und 11 über die Leitung 21 nicht mehr möglich ist, während der Hydraulikspeicher 24 selbsttätig zu den Arbeitsräumen 7, 11 hin geöffnet wird. Die Zahnstangensegmente 2 und 3 werden dann unter dem im Hydraulikspeicher 24 vorhandenen Druck aufeinander zugefahren und dort gehalten. Ein weiterer Druckabfall ist aufgrund des Rückschlagventils 28 nicht mehr möglich.

Die Servomotoren 16 können außer der hier beschriebenen elektrischen Ausführung auch hydraulische Stellmotoren sein. Der zulässige Relativweg, der durch die Dimensionierung der Nuten 14 und des Relativwegbegrenzers 15 ermöglicht wird, kann je nach Anforderung dimensioniert werden. In der Praxis wird eine unabhängige Schwenkbarkeit der gelenkten Räder um wenige Winkelgrade ausreichend sein. Der Relativweg ist bei diesem Ausführungsbeispiel jedenfalls kleiner als der maximal mögliche Stellweg, der durch die axiale Länge der Zylinderbohrungen 5 bzw. 9 in der Fig. 1 angedeutet ist.

Wird die insoweit beschrieben Anordnung so ergänzt, dass der Druck in den Arbeitsräumen 7 und 11 separat steuerbar ist, so kann bei Ausfall der Elektromotoren 16 eine Lenkfunktion allein über den Hydraulikdruck erfolgen. Die hierfür erforderlichen Sensoren und Steuerungselemente sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Claims (11)

1. Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge, mit einem Lenkungsgehäuse (1), in dem eine Zahnstange (2, 3) in Axialrichtung um einen Stellweg verschieblich gelagert ist, sowie mit wenigstens einem auf die Zahnstange (2, 3) wirkenden Servoantrieb (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange zwei Zahnstangensegmente (2, 3) umfaßt, die unabhängig voneinander um einen Relativweg in Axialrichtung verschieblich sind.

2. Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungselement (14, 15) für den maximal möglichen Relativweg vorgesehen ist, wobei der Relativweg kleiner ist als der Stellweg.

3. Zahnstangenlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung mit einer getrennten und einer eingerückten Stellung vorgesehen ist, wobei in der eingerückten Stellung der Relativweg im wesentlichen zu Null wird.

4. Zahnstangenlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Zahnstangensegment (2, 3) ein eigener Servoantrieb (16) zugeordnet ist.

5. Zahnstangenlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Zahnstangensegmenten (2, 3) jeweils wenigstens ein von einem Kolbenelement (4, 8) und einem Zylinder (5, 9) gebildeter hydraulischer Arbeitsraum (7, 11) zugeordnet ist.

6. Zahnstangenlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung von Arbeitsräumen (7, 11) gebildet ist, die bei Beaufschlagung mit Druck die jeweiligen Zahnstangensegmente (2, 3) aufeinander zu drängen.

7. Zahnstangenlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Arbeitsräumen (7, 11) eine Verbindungsleitung (20) vorgesehen ist, die im eingerückten Zustand der Kupplung die Arbeitsräume (7, 11) zur Bildung eines definierten, bei Bewegung entlang des Stellweges im wesentlichen unveränderlichen Volumens verbindet.

8. Verfahren zur Steuerung einer Zahnstangenlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zahnstangensegmente (2, 3) von jeweils einem Servoantrieb (16) zur Betätigung von gelenkten Rädern entlang des Stellweges verfahren werden, und wobei die Zahnstangensegmente (2, 3) um den Betrag des Relativweges unabhängig voneinander verlagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Bedarfsfall der Relativweg zu Null wird und die Kupplung zur starren Verbindung der Zahnstangensegmente (2, 3) eingerückt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedarfsfall durch eine Fehlfunktion in einem der beiden Servoantriebe (16) ausgelöst wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bedarfsfall die Arbeitsräume (7, 11) mit einem Druck eines im wesentlichen inkompressiblen Hydraulikfluids beaufschlagt werden, bis der Relativweg zu Null geworden ist, und dann die Arbeitsräume (7, 11) volumenkonstant miteinander verbunden werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Servoantriebs (16) der jeweils andere Servoantrieb (16) über die eingerückte Kupplung das dem ausgefallenen Servoantrieb (16) zugeordnete Zahnstangensegment (2, 3) mit antreibt.