DE19957984A1

DE19957984A1 - Servolenksystem

Info

Publication number: DE19957984A1
Application number: DE1999157984
Authority: DE
Inventors: Stefan Froehlich
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-06-07

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Servolenksystem mit einem Stellglied (7), das von einer Lenkradwelle (1) über einen ersten Eingang (3) einer Überlagerungseinrichtung (2) und von einer elektrischen Stelleinrichtung (9) über einen zweiten Eingang (6) der Überlagerungseinrichtung (2) betätigt werden kann. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß der erste Eingang (3) der Überlagerungseinrichtung (2) Selbsthemmung aufweist oder daß eine Kompensationseinrichtung am ersten Eingang (3) ein Stützmoment erzeugt, das dem Stellmoment der Stelleinrichtung (9) entspricht. Dadurch wird eine Rückwirkung der Stelleinrichtung (9) auf das Lenkrad vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Servolenksystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiges Lenksystem ist aus der DE 40 31 316 A1 bekannt. Dabei wirkt die vom Fahrzeugführer aufgebrachte Leistung am Lenkrad auf einen ersten Eingang einer Überla gerungseinrichtung, an deren zweiten Eingang eine Servolei stungsquelle, üblicherweise ein Elektromotor, angeschlossen ist. Der Ausgang der Überlagerungseinrichtung wirkt als Stellglied auf ein Lenkgetriebe, durch das der Einschlag winkel gelenkter Fahrzeugräder geändert werden kann. Eine solche die Überlagerung zweier Drehbewegungen bewirkende Überlagerungseinrichtung ist üblicherweise ein mechanisches Differentialgetriebe in Form eines Planetengetriebes, das in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt ist.

Elektromotoren erlauben gegenüber hydraulisch arbei tenden Systemen größere Variationsmöglichkeiten, die Lenk kraft des Fahrzeugführers zu unterstützen. So kann bei spielsweise die Lenkkraft abhängig von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs unterstützt werden. Der Elektromotor unterstützt nicht nur die Lenkkraft bzw. die Lenkleistung des Fahrzeugführers, sondern er kann gleichzeitig die Fahrstabilität und den Komfort verbessern, indem er von einer elektronischen Steuereinheit in Abhängigkeit von blank- und Gierbewegungen des Fahrzeugs sowie von Seiten kräften, die durch Seitenwind verursacht werden, gesteuert wird und durch eine entsprechende Korrektur des Lenkwinkels den Störkräften entgegenwirkt.

Die bekannten Lenksysteme haben gemeinsam, daß das beim Lenkeingriff durch die elektrische Stelleinrichtung aufzubringende Lenkmoment oder ein übersetzungsabhängiger Teil davon vom Fahrzeugführer am Lenkrad abgestützt werden muß. Geschieht dies nicht, wird statt des nachgeschalteten Lenkgetriebes am Ausgang der Überlagerungseinrichtung das Lenkrad verstellt, wodurch die Störkräfte nicht wie ge wünscht kompensiert werden können. Wenn das abzustützende Lenkmoment dagegen am Lenkrad aufgebracht wird, bemerkt dies der Fahrzeugführer zwangsläufig und die Gefahr ist groß, daß er auf das plötzlich aufzubringende Moment über reagiert und eine ungewollte Lenkbewegung ausführt. Dies beeinträchtigt sowohl die Fahrsicherheit als auch den Fahr komfort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives Lenksystem zu schaffen, dessen von der Fahrsituation abhän giges Wirken vom Fahrzeugführer nicht bemerkt wird. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Indem der erste Eingang der Überlagerungseinrichtung, z. B. eines Differentialgetriebes, nach Anspruch 1 eine Selbsthemmung aufweist wird dafür gesorgt, daß die erste Stelleinrichtung, z. B. ein Elektromotor, nicht auf das Lenkrad wirken kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Lenkrad über ein selbsthemmendes Getriebe, z. B. ein Schneckengetriebe, auf den ersten Eingang wirkt oder daß die Überlagerungseinrichtung in Form eines Differentialge triebes als selbsthemmendes Getriebe ausgebildet ist. Damit Selbsthemmung gegeben ist, ist es erforderlich, daß die Übersetzung vom ersten Eingang zum Ausgang des Differenti algetriebes so gewählt wird, daß die Bedingung η₀ < Über setzungsverhältnis zwischen dem ersten Eingang und dem Aus gang < 1/η₀ erfüllt ist. Dabei bezeichnet η₀ den Verzah nungswirkungsgrad.

Wenn der erste Eingang des Differentialgetriebes Selbsthemmung aufweist, wird ein Servomoment am zweiten Eingang vom Fahrzeugführer nicht bemerkt, da sich das Ser vomoment über die Selbsthemmung abstützt. Allerdings müssen dann alle Bewegungen, die am ersten Eingang sonst passiv ablaufen würden, z. B..ein Lenkungsrücklauf, aktiv ausge führt werden, d. h. es ist zweckmäßigerweise neben der er sten Stelleinrichtung eine zweite Stelleinrichtung vor zusehen, z. B. ein weiterer Elektromotor, der in Abhängig keit von den vom Ausgang auf die Eingänge zurückwirkenden Kräfte bzw. Momente ansteuerbar ist. Hierfür müssen diese Kräfte bzw. Momente erfaßt und in einer elektronischen Steuereinheit verarbeitet werden.

Eine einfachere, alternative Lösung besteht darin, daß eine Kompensationseinrichtung am ersten Eingang ein Stütz moment erzeugt, das dem Stellmoment der ersten Stellein richtung entspricht. Das Stützmoment hat eine gleiche Wir kung wie die Selbsthemmung, indem es das Stellmoment der ersten Stelleinrichtung am ersten Eingang kompensiert, ohne daß der Fahrzeugführer es bemerkt. Es bietet zudem den Vor teil, daß es einen Lenkungsrücklauf erlaubt, sobald das Stellmoment gleich null und damit das Stützmoment ebenfalls zu null wird.

Zweckmäßigerweise umfaßt die Kompensationseinrichtung einen zweiten Elektromotor oder eine ansteuerbare Bremse, die vorzugsweise als elektrisch betätigte Bremse ausgebil det ist. Diese können über eine elektronische Steuereinheit in Abhängigkeit vom Stellmoment der ersten Stelleinrichtung angesteuert werden. Als Steuergröße kann in vorteilhafter Weise der Strom der ersten Stelleinrichtung dienen, aus dem ein Stromwert für die Kompensationseinrichtung errechnet wird, der so groß ist, daß das zum Einstellen des Zusatz lenkwinkels erforderliche Stellmoment kompensiert wird.

Die elektronische Steuereinheit kann ferner mittels Sensoren anhand eines Lenkwinkels und einer Fahrzeugge schwindigkeit eine vom Fahrzeugführer gewünschte Gierrate bzw. Fahrzeugquerbeschleunigung ermitteln, die ermittelten Werte mit gemessenen Werten der Giergeschwindigkeit und Querbeschleunigung vergleichen und mit dem Ergebnis einen Korrekturlenkwinkel errechnen, der von der ersten Stellein richtung über das Differentialgetriebe dem Lenkwinkel vom Lenkrad überlagert wird. Dies dient dazu, die Fahrstabili tät des Fahrzeugs zu erhöhen und Störeinflüsse zu kompen sieren, ohne daß der Fahrzeugführer dies bemerkt.

Wenn der Istzustand mit dem Wunsch des Fahrzeugführers übereinstimmt, findet kein Eingriff durch die erste Stell einrichtung statt. Dann wird die am Lenkrad bzw. an der Lenkradwelle eingeleitete Lenkbewegung über das selbsthem mende Differentialgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis 1 : 1 auf die Ausgangswelle übertragen, ohne daß die erste oder zweite Stelleinrichtung aktiviert wird. Beim Lenkungs rücklauf, wenn ein Moment an der Ausgangswelle eingeleitet wird, gilt analog dasselbe. Wenn der Istzustand mit dem Wunsch des Fahrzeugführers nicht übereinstimmt, also das Fahrzeug beispielsweise eine Querbeschleunigung aufgrund eines Seitenwinds erfährt, obwohl das Lenkrad bzw. ein Lenkwinkelsensor an der Lenkradwelle eine gewünschte Gera deausfahrt anzeigt, wird von der elektronischen Steuerein heit ein Korrekturlenkwinkel errechnet, der mittels der ersten Stelleinrichtung und der Überlagerungseinrichtung eingestellt wird. Zur Ermittlung des Istkorrekturlenkwin kels dient ein Lenkwinkelsensor an der Ausgangswelle. Bei dem erfindungsgemäßen Lenksystem wird das zur Kor rektur erforderliche Stellmoment vom Fahrzeugführer nicht bemerkt. Er kann also darauf nicht unangemessen reagieren. Wenn kein überlagerter Eingriff stattfindet, wird ferner keine Energie benötigt und es werden keine Geräusche verur sachende Bewegungen erzeugt. Fällt der erste Stellantrieb aus, geht nur die aktive Funktion des Lenksystems verloren, ohne daß die normale Funktion davon betroffen ist. Schließ lich kann durch das aufgezeigte Konstruktionsprinzip des erfindungsgemäßen Lenksystems der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich nungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbei spiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam menfassen.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Lenksystem.

Ein nicht näher dargestelltes Lenkrad greift an einer Lenkradwelle 1 an, die über eine als Differentialgetriebe ausgebildete Überlagerungseinrichtung 2 auf eine Ausgangs welle 7 wirkt, die als Stellglied über ein nicht näher dar gestelltes Lenkgetriebe auf die Fahrzeugräder wirkt.

Die Überlagerungseinrichtung 2 besitzt ein erstes Son nenrad 3, das fest mit der Lenkradwelle 1 verbunden ist und als erster Eingang der Überlagerungseinrichtung 2 dient. Ein zweites Sonnenrad 4 sitzt fest auf der Ausgangswelle 7. Beide Sonnenräder 3, 4 kämmen gemeinsam mit mehreren auf den Umfang verteilten Planetenrädern 5, die auf einem Pla netenträger 6 drehbar gelagert sind. Der Planetenträger 6 dient als zweiter Eingang der Überlagerungseinrichtung 2 und ist gleichzeitig als Rotor eines Elektromotors ausge bildet, der als eine erste Stelleinrichtung 9 dient.

Der Planetenträger 6 ist drehbar mittels Lager 8 auf der Ausgangswelle 7 gelagert, die ihrerseits mit einem Ende über ein Lager 16 in der Lenkradwelle 1 gelagert ist. Die Lenkradwelle 1 und die Ausgangswelle 7 sind über Lager 13, 14, 15 in einem Gehäuse 10 drehbar gelagert, wobei sich das Lager 14 in einer in das Gehäuse 10 eingesetzte Zwischen wand 11 und das Lager 15 in einer Endwand 12 des Gehäu ses 10 befinden. An den Stirnseiten des Gehäuses 10 sind Deckel 17 und 18 angebracht, durch die die Lenkradwelle 1 bzw. die Ausgangswelle 7 hindurchgeführt sind.

Auf der Lenkradwelle 1 sitzt ferner ein Rotor 20 einer als Elektromotor ausgebildeten Kompensationseinrichtung 19, die ein dem Steilmoment der ersten Stelleinrichtung 9 ent sprechendes Stützmoment erzeugt. Dadurch ist es nicht er forderlich, daß der Fahrzeugführer am Lenkrad das Stellmo ment der ersten Stelleinrichtung 9 abstützt. Hierdurch wird zum einen der Fahrkomfort erhöht und zum anderen die Fahrstabilität verbessert, indem Überreaktionen des Fahr zeugführers auf Stellmomente der ersten Stelleinrichtung 9 vermieden werden.

Als Kompensationseinrichtung 19 kann außer einem Elek tromotor eine elektrisch betätigte und ansteuerbare Bremse dienen, die ebenfalls ein dem Stellmoment entsprechendes Stützmoment erzeugt.

Das Stellmoment der ersten Stelleinrichtung 9 kann auch durch eine Selbsthemmung am ersten Eingang 3 der Über lagerungseinrichtung 2 abgestützt werden. Dies kann dadurch geschehen, daß die Lenkradwelle 1 über eine selbsthemmende Getriebestufe auf das erste Sonnenrad 3 wirkt oder daß die Überlagerungseinrichtung 2 als selbsthemmendes Differenti algetriebe ausgebildet ist, indem die Bedingung η₀ < Über setzungsverhältnis von der Lenkradwelle 1 zur Ausgangswel le 7 < 1/η₀ erfüllt ist, wobei η₀ der Verzahnungswirkungs grad des Differentialgetriebes ist. Da durch die Selbsthem mung alle Bewegungen, die sonst an der Lenkradwelle 1 pas siv ablaufen würden, z. B. der Lenkungsrücklauf, aktiv aus geführt werden müssen, würde dies den Komfort beeinträchti gen. Es wird daher vorgeschlagen, eine zweite Stelleinrich tung vorzusehen, die in Abhängigkeit von den von der Aus gangswelle 7 rückwirkenden Kräfte angesteuert wird. Eine solche Stelleinrichtung könnte durch die Kompensationsein richtung 19 dargestellt werden. Zur Ansteuerung ist aber die genaue Kenntnis der von der Ausgangswelle 7 auf die Lenkradwelle 1 zurückwirkenden Kräfte erforderlich.

Eine elektronische Steuereinheit 21 steuert sowohl die erste Stelleinrichtung 9 als auch die zweite Stelleinrich tung bzw. Kompensationseinrichtung 19 an. Zu diesem Zweck ist sie über Signalleitungen 26 mit der ersten und zweiten Stelleinrichtung 9, 19 sowie mit verschiedenen Sensoren 22, 23, 24, 25, 27 verbunden. Die Sensoren 24 und 25 sind Dreh winkelsensoren, die einen Drehwinkel ϕ der Lenkradwelle 1 bzw. der Ausgangswelle 7 relativ zum Gehäuse 10 messen. Mit dem Sensor 22 wird die Giergeschwindigkeit des Kraftfahr zeugs, mit dem Sensor 23 die Querbeschleunigung und mit dem Sensor 27, einem Tachometer, die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Ferner wird der Strom der ersten Stelleinrich tung 9 gemessen und ein entsprechendes Signal der Steuer einheit 21 zugeführt. Im Fahrbetrieb ermittelt die Steuer einheit 21 anhand des Lenkwinkels ϕ und der Fahrzeugge schwindigkeit die vom Fahrzeugführer gewünschte Gierrate bzw. Fahrzeugquerbeschleunigung. Diese Werte werden mit den vom Giergeschwindigkeitssensor 22 und dem Querbeschleuni gungssensor 23 gelieferten Meßwerten verglichen. Wenn der Istzustand mit dem Wunsch des Fahrzeugführers überein stimmt, findet kein Eingriff der ersten Stelleinrichtung 9 statt und die an der Lenkradwelle 1 eingeleitete Lenkbewe gung wird über das selbsthemmende Differentialgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis 1 : 1 auf die Ausgangswelle 7 übertragen. Beim Lenkungsrücklauf, wenn ein Drehmoment an der Ausgangswelle 7 eingeleitet wird, gilt analog dasselbe. Stimmt der Istzustand mit dem Wunsch des Fahrzeugführers nicht überein, wenn also das Fahrzeug beispielsweise eine Querbeschleunigung aufgrund eines Seitenwinds erfährt, ob wohl das Lenkrad bzw. der Drehwinkelsensor 24 an der Lenk radwelle 1 eine gewünschte Geradeausfahrt anzeigt, wird die elektronische Steuereinheit 21 einen Korrekturlenkwinkel Δϕ errechnen, der mittels der ersten Stelleinrichtung 9 und die Überlagerungseinrichtung 2 eingestellt wird. Zur Er mittlung des Istkorrekturlenkwinkels dient der Drehwinkel sensor 25 an der Ausgangswelle 7.

Bezugszeichen

1

Lenkradwelle

26

Signalleitung

2

Differentialgetriebe

27

Tachometer

3

erstes Sonnenrad, (erster Eingang)

4

zweites Sonnenrad

5

Planetenrad

6

Planetenträger, (zweiter Eingang)

7

Ausgangswelle (Stellglied)

8

Lager

9

erste Stelleinrichtung

10

Gehäuse

11

Zwischenwand

12

Endwand

13

Lager

14

Lager

25

Lager

16

Lager

17

Deckel

18

Deckel

19

Kompensationseinrichtung

20

Rotor

21

Steuereinheit

22

Giergeschwindigkeitssensor

23

Querbeschleunigungssensor

24

Drehwinkelsensor

25

Drehwinkelsensor

26

Signalleitung

27

Tachometer
ϕ Lenkwinkel
Δϕ Korrekturlenkwinkel

Claims

1. Servolenksystem mit einem Stellglied (7), das von einer Lenkradwelle (1) über einen ersten Eingang (3) einer Überlagerungseinrichtung (2) und von einer elektrischen Stelleinrichtung (9) über einen zweiten Eingang (6) der Überlagerungseinrichtung (2) betätigt werden kann, wobei die elektrische Stelleinrichtung (9) abhängig von Fahrpara metern ansteuerbar ist, dadurch gekennzeich net, daß der erste Eingang (3) der Überlagerungsein richtung (2) Selbsthemmung aufweist.

2. Servolenksystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Überlagerungseinrich tung (2) ein Differentialgetriebe und zwischen dem ersten Eingang (3) und einer Ausgangswelle (7) selbsthemmend aus gelegt ist.

3. Servolenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten Ein gang (3) eine zweite Stelleinrichtung angreift, die über eine elektronische Steuereinheit (21) in Abhängigkeit von den von der Ausgangswelle (7) zurückwirkenden Kräften und/oder Momenten angesteuert wird.

4. Servolenksystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kom pensationseinrichtung (19) am ersten Eingang (3) ein Stütz moment erzeugt, das dem Stellmoment der erste Stelleinrich tung (9) entspricht.

5. Servolenksystem nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (19) einen Elektromotor oder eine ansteuerbare Bremse um faßt.

6. Servolenksystem nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bremse elektrisch betä tigt wird.

7. Verfahren zum Betrieb eines Servolenksystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine elektronische Steuer einheit (21) mittels Sensoren (24, 27) anhand eines Lenk winkels (ϕ) und einer Fahrzeuggeschwindigkeit eine vom Fahrzeugführer gewünschte Gierrate bzw. Fahrzeugquerbe schleunigung ermittelt, die ermittelten Werte mit gemesse nen Werten der Giergeschwindigkeit und Querbeschleunigung vergleicht und mit dem Ergebnis einen Korrekturlenkwin kel (Δϕ) errechnet, der von der ersten Stelleinrichtung (9) über das Differentialgetriebe (2) dem Lenkwinkel (ϕ) des Lenkrads überlagert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7 zum Betrieb eines Servo lenksystems nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der ersten Stelleinrichtung (9) gemessen wird und daraus ein Stromwert für die Kompensationseinrichtung (19) errechnet wird.