DE2007008A1 - Selbsttätige Lenkvorrichtung für Fahrzeuge - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL-INCCURTWALLACH DIPL.-ING. GONTHER KOCH 2007008 DR. TINO HAIBACH

: 8MUNCHEN2,16. Februar I970

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Sperry Rand Limited, London, England.
Selbsttätige Lenkvorrichtung für Fahrzeuge

Die Erfindung betrifft ein System zur Führung eines Fahrzeuges längs einer Spur. Insbesondere betrifft die Erfindung eine selbsttätige Steuereinrichtung, die von einem Fahrzeug getragen wird und mit einem Führungsschlitz der-Fahrspur zusammenwirkt. *

Die Erfindung geht aus von einer automatischen Steuereinrichtung zur Lenkung eines lenkbaren Fahrzeuges, um dieses an einem Führungsschiitz der Fahrspur entlangzuführen und gemäß der Erfindung ist die Anordnung derart getroffen, daß ein Fühler in den Führungsschlitz einsteht und dessen seitliche Stellung relativ zum Fahrzeug abfühlt, wobei ein Arm des Mechanismus nach vorn vorsteht und den Fühler an seinem vorderen Ende so trägt, daß im Betrieb der Fühler vor den Vorderräder des Fahrzeuges befindlieh ist und wobei eine Lagerung für das rückwärtige Ende des Armes vorgesehen ist, die den Arm frei um eine. Vertikalachse schwenken läßt« Dabei ist ein Kraftantrieb vorge-· sehen, der. das Steuergetriebe des Fahrzeuges betätigt und es . ist ein System inkompressibler Lenker vorgesehen, die die Bewegung des Armes um diese Vertikalachse übertragen, um den Kraftsteuerantrieb in dem Sinne zu betätigen, daß im Betrieb eine seitliche Versetzung des Fahrzeuges aus einer vorbestimmten Lage relativ zum Führungsschlitz zu einer Leiikeinsteilung führt, die die vorbestimmte Lage wieder herzustellen trachtet.

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Es hat sich gezeigt, daß bei automatischer Lenkung eines Straßenfahrzeuges bei relativ hohen Geschwindigkeiten zwischen etwa 80 km/h und 120 km/h gewisse Kriterien erfüllt sein müssen. Zu-

: nächst die erforderliche Steuereinstellung bis zu einem gewissen Maß vorgefühlt werden, so daß die Lenkungskorrektur, die natürlich während einer endlichen Zeit durchgeführt werden muß, ■ zeitgemäß erfolgt und das Fahrzeug einem Pfad folgen kann. Bei der Lenkanordnung gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß eine ausreichende Vorausfühlung gewährleistet ist, wenn der Fühler etwa 1,40 m vor der Achse der Lenkräder des Fahrzeugs liegt. Hierdurch wird eine glatte Steuerung ohne das Auftreten von

;."■ Schwingungen bis zu etwa 100 km/h gewährleistet. Das zweite Kriterium liegt darin, daß der Fühler nicht zu hart gegen die

m> Seiten des Schlitzes anliegen darf, da hierdurch die Empfindlichkeit des Fehleraufspürens herabgesetzt wird. Daraus folgt, daß die Fühlerbewegung im Normalbetrieb nicht direkt benutzt werden sollte, um Lenkkorrekturen durchzuführen und gemäß der Erfindung wird die Fühlerbewegung benutzt, um ein hydraulisches Ventil zu steuern, das die Kraft zur Einstellung der Lenkräder liefert. Das dritte Kriterium besteht darin, daß ein minimales Spiel in dem Gestänge vorhanden sein muß, über das das Fehlersignal übertragen wird. Ein übermäßiges großes Spiel in dem Gestänge würde bedeuten, daß das Fahrzeug einer Schlangenlinie folgen würde. Gemäß der Erfindung wird daher das Fehlersignal dem Hydraulikventil über ein starres, d.h. inkompressibles,

h Lenkergestänge zugeführt, das nur ein minimales Spiel besitzt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische, nicht-maßstäbliche Darstellung eines automatischen Steuerraechanismus nach der Erfindung, ¹⁸FIg-Ia eine Seitenansicht einesFolgearmes gemäß Fig.l, ' Fig. 2 eine detaillierte maßstabsgerechte Darstellung der

Verbindung des automatischen Steuermechanismus mit der Spurstangensteuerung des Fahrzeuges,

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Pig. 3 eine detaillierte maßstabsgerechte Darstellung des Folgearmes und des Folgehubgetriebes gemäß Fig.l und la,

Fig. h eine Grundrißansicht des Folgearmes und des Hubgetriebes nach Fig.3/

Fig. 5 eine detaillierte maßstabsgerechte Darstellung des Folgezapfenaufrichtgetriebes gemäß Fig.l und. la.

Zur allgemeinen Beschreibung des Systems wird zunächst auf die Figuren 1 and la der Zeichnung bezuggenommen. Die Vorderräder 11 eines Fahrzeugs, das in Richtung des Pfeiles A fährt, besitzen eine herkömmliche Steuerspurstange 12, die mit der manuellen Steuerung über ein Lenkgestänge 13 verbunden ist. Außerdem ist Vorsorge für eine automatische Steuerung getroffen und zwar über ein Gestänge, das einen Spurstangenlenker 15 aufweist, der mit der Spurstange 12 über die aus Fig.2 ersichtlichen Mittel verbunden ist. Außerdem besitzt das Gestänge einen Ausgangshebel 16, eine Kupplung 17 und einen Betätigungshebel l8. Die Kupplung 17 ist als Klauenkupplung ausgebildet, die manuell über ein Kabel 19 vom Fahrzeugführer betätigt werden kann, wenn der Fahrer manuell steuern will, wird demgemäß die Kupplung 17 gelöst.

Ein mechanisches Signal zur Betätigung der automatischen Lenkung wird von einem Fühler 21 abgenommen, der vom Fahrzeug vorsteht und in einen Führungsschlitz (nicht dargestellt) einsteht, der in der Straße angebracht ist, auf der das Fahrzeug fährt. Stift und Schlitz sind im einzelnen in der älteren Patentanmeldung P 16 55 116.9-21 der Anmelderin beschrieben. Der Stift ist am unteren Ende eines aus Aluminium bestehenden Folgearms 22 angeordnet, der etwa I.30 m lang ist und von einem Schwenkgelenk 23 nach unten weist, wobei das Schwenkgelenk den Arm frei um eine Horizontelachse schwingen läßt, so daß der Stift durch einen Hubmechanismus 24 angehoben werden kann, damit das Fahrzeug auf einer normalen Straße ohne automatische Steuerung fahren kann. Die Lagerung 23 ist ihrerseits um eine Vertikalachse einige Zentimeter vor der Radachse des Fahrzeuges

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schwenkbar und so verbunden, daß ein Eingangshebel 25 gedreht werden kann. Das Ende des Eingangshebels 25 ist bei 27 mit einem Ventilbetätigungshebel 28 verbunden, der den Schieber eines Hydraulikventils 29 einstellt, das einen Kolbenantrieb 30 steuert. Die Bewegung des Kolbenantriebs 30 betätigt wiederum ein Gestänge, welches die Lenkung bewirkt. Zwei Zentrier- und Vorspannfedern 32 suchen den Hebel 25 und den Arm 22 in der Mittelstellung zu halten. Wenn jedoch der Schlitz, in den der Schlitz 21 einsteht, von einer Mittelstellung vor dem Fahrzeug abweicht, z.B. wenn eine Richtungsänderung in dem Führungsschlitz vorhanden ist oder wenn das Fahrzeug gegenüber dem Schlitz auswandert, dann bewegt sich der Stift 21 in einer Horizontalebene x&xax relativ zum Fahrzeug und bewirkt, daß sich die Lagerung 23 und die Hebel 25 und 2b drehen. Daher wird eine Lenkeinstellung in dem Sinne bewirkt, daß das Fahrzeug in eine Mittelstellung relativ zum Schlitz zurückkehrt. Wie am besten aus Fig.l ersichtlich, befindet sich der Stift 21 etwa 1.40 m vor den Rädern 11, so daß die Notwendigkeit einer Lenkbewegung festgestellt wird, bevor die Räder jenen Punkt erreichen, an dem der Stift das Erfordernis der Lenkbewegung feststellt. Der Winkel,um den sich der Arm 22 bewegt, wenn ein Fehler festgestellt wird, ist etwa gleich dem Winkel, um den die Räder 11 eingeschlagen werden.

Der Ventilbetätigungshebel 28 weist einen Fortsatz des Stiftes 27 auf, der mit einem gleitbar auf einer Stange 53 gelagerten Bund verbunden ist. Die Stange 52 ist fest mit dem Gehäuse des Kolbenantriebs 30 verbunden und ein Ende ist am Kolben eines stationären Stoßdämpfers 54 befestigt. Zwei Federn 55 umgeben die Stange 53 und wirken zwischen dem Bund und den Fortsätzen des Kolbenantriebs.

Wenn dem mechanischen Signal des Armes 22 das Steuergetriebe exakt folgt, dann kann eine für den Fahrzeuginsassen störende

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Seitenbeschleunigung bei Geschwindigkeiten von etwa 100 km/h erwartet werden. Um dies zu vermeiden, liefern die Federn 55 und der Stoßdämpfer 54 in Verbindung mit der Geometrie der Lagerung des Hebels 28 ein Maß der Phasenvorlaufkompensation, die die Beziehung zwischen dem Folgearmsignal und der darauffolgenden Änderung des Lenkradwinkels" modifiziert. -

Wenn eine Lenkeinstellung durch die Bewegung des Eingangshebeis 25 gefordert wird, wird das Schwenkgelenk 27 dadurch bewegt. Die Federn 55 sind durch die auf den Hebel 28 ausgeübte Kraft im wesentlichen unkompressibel und diese schwenken daher um das Ende, das von den Federn gehalten wird, um das Ventil 29 zu öffnen. Dies bewirkt, daß der Körρer des Kolbenantriebs sich bewegt und so beginnt eine Lenkbewegung. Die Bewegung des Kolbenantriebskörpers wird durch den Stoßdämpfer 54 gesteuert, um plötzliche Steuereinstellungen zu vermeiden. Außerdem wird durch die Bewegung des Körpers eine Kraft über die Federn 55 in dem Sinne übertragen, daß die Buchse bewegt wird, wodurch der Hebel 28 in eine Lage verschwenkt wird, in der das Ventil 29 teilweise geschlossen ist. - .

Der Kolbenantrieb kommt an einer Stelle zur Ruhe, an der die Räder um den notwendigen Betrag eingestellt sind, wobei der Ventilschieber genügend weit offen bleibt, damit der Kolbenan-Jbrieb die Räder in dieser Lage hält. Dadurch ergibt sich ein stabiles Ansprechen mit einer glatten Lenkung. ,

Nachstehend wird im einzelnen auf Fig.2 bezuggenommen. Diese zeigt:die Verbindung des automatischen Lenkhebels 16 mit der herkömmlichen Spurstange 12 des Fahrzeugs. Es wird ein kurzer Spurstangenlenker, 15 benutzt, der an einem Ende am Hebel 16 und am anderen Ende am Mittelpunkt der Spurstange 1.2 angelenkt ist. Beide AnIenkungen werden durch Kugeln 35»35' von einem Zoll Durchmesser hergestellt, die von konischen Zapfen getragen werden, die in entsprechend konische Ausnehmungen im Hebel 16

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und der Spurstange 12 einpassen. Wenn der Arm 22 einer schwerwiegenden Beschädigung unterworfen wird und z.B. im Betrieb verbogen wird, dann bewirkt ein elektrisch betätigter Schnellauslösemechanismus (nicht dargestellt), daß die Kugel 35' von ihrem Tragzapfen abgeschert wird, wodurch der Antrieb von dem Arm nach dem Lenkgetriebe unterbrochen wird.

Die Pig.3 und 4 zeigen im einzelnen einen Teil des Polgearmes 22 und des Hubgetriebes 24, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig.l und la benutzt wurden. Außerdem ist das ^auptchassis 36 und die Vorderachse 36¹ des Fahrzeugs ersichtlich, auf der das automatische Steuersystem montiert ist.

Das Hubgetriebe besteht aus zwei Hebeln 37, die längs einer Welle 43 im Abstand zueinander angeordnet und an ihren Enden durch Stangen 45 verbunden sind. Ein fester Träger des Chassis trägt zwei Auslegearme 39> in denen die Welle 43 frei drehbar gelagert ist. In der Nähe eines Endes trägt die Welle 43 eine darauf verkeilte Rolle 38, die an ihrem Umfang eine V-förmige Nut besitzt. Zwei Betätigungskabel 40 und 40^f erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen um die V-förmige Nut und sie sind an ihren Enden durch eine Klemme 44 festgelegt. Die freien Enden der Kabel erstrecken sich nach der Fahrerkabine und durch Ziehen der Kabel 40 bewirkt der Fahrer eine Drehung der Rolle 38 im Gegenuhrzeigersinn gemäß Fig.3 und in der gleichen Weise werden die Hebel 37 gedreht. Wie am besten aus den Fig.la und ersichtlich, bewirkt dies, daß die Stange 45 den Folgearm 22 berührt und diesen und den Stift 21 in eine zurückgezogene Stellung anhebt, die in Fig.la strichliert dargestellt ist. Wenn der Fahrer an dem anderen Kabel 40* zieht, drehen sich die He- ' bei 37 im Uhrzeigersinn und führen den Folgearm in die Arbeitsstellung zurück.

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Die Hebel 37 bestehen Jeweils aus zwei Teilen, von denen jeder eine Schwenkbewegung gegenüber dem anderen durchführen kann und eine Feder 50* hält die beiden Teile normalerweise in ausgerichteter Lage."Da der Arm 22 auf einem Bauteil vor der Vorderachse und dem Hubgetriebe 24 auf dem Chassis montiert ist, findet infolge der Bewegung der Chassisfedern eine gewisse differentielle Bewegung statt. Diese Bewegung wird durch die Feder 50* möglich.

Wie am besten aus Fig.la ersichtlich, wird der Stift 21 so gedreht, daß er horizontal liegt, tfenn der Arm in seiner zurückgezogenen Stellung befindlich ist,und Fig.5 zeigt im einzelnen die Anordnung, durch die diese Drehung bewirkt wird. Der Stift 21 und der Arm 22 sind in Betriebsstellung dargestellt. Der Stift 21 wird von einem Hebel 48 getragen, der schwenkbar um eine horizontale Achse 47 am Ende des Armes 22 angelenkt ist. Ein Rnde des Hebels 48 wird durch eine Schraubenfeder 50 im Qegenuhrzeigersinn gemäß Fig.5 vorgespannt, während an dem anderen Ende ein Kabel 51 angreift. Das Kabel 51 erstreckt sich zwischen dem Hebel 48 und der Rolle 38 (Fig.5) des Hubgetriebes 24. Wenn die Rolle ;5δ im Sinne eines Anhebens des Armes 22 gedreht wird, dann wird das Kabel 51 angezogen, so daß der Hebel 48 gegen die Kraft der Feder 50 verschwenkt wird, bis der Zapfen parallel zu dem Arm 22 verläuft. Wenn die Rolle 38 im Gegensinn gedreht wird, dann wird das Kabel 51 freigegeben und die Feder 50 zieht den Stift in die Arbeitsstellung.

Wenn das Fahrzeug eine Abzweigung in der Führungsspur erreicht, bei welcher zwei weiter führende Routen abgehen, dann wird durch den Fahrer vor Erreichen der Abzweigung die Wahl getroffen* Der Fahrer betätigt das Kabel 58 so, daß die Federn 22 in einem solchen Sinn versetzt werden, daß auf den Hebel 25 und den Arm 22 ein Drehmoment ausgeübt wird, das den Stift

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gegen eine Seite oder gegen die andere Seite des FUhrungsschlitzes vorspannt. Wenn eine Abzweigung erreicht wird, folgt daher der Stift jener Seite des Führungsschlitzes, gegen die er vorgespannt ist und tritt so in den Führungsschlitz auf dieser Seite ein. Die Zentrierungs- und Vorspannfedern 32 sind relativ schwache Federn und im normalen, nicht vorgespannten Betrieb ist die Federkonstante kleiner als etwa 10 g/cm (l Unze/Zoll). In vorgespannter Stellung wird der Stift gegen die betreffende Seite des Schlitzes mit einem Druck von etwa 500 g angedrückt.

Es muß insbesondere berücksichtigt werden, daß das Gestänge zwischen dem Stift 21 und dem Ventil aus starren Hebeln besteht, die mit einem minimalen Spiel gelenkig miteinander verbunden sind, um die Totgangbewegungen auf ein Minimum herabzusetzen. In dem Betätigungsgestänge sind keine zusammendrückbaren Organe, d.h. keine Federn, vorhanden.

Wenn der Hydraulikantrieb 30 ausfällt, weil z.B. der hydraulische Druckerzeuger ausfällt, gewährleistet ein Lenker 52 von dem Stift 27 nach dem Betätigungshebel 18 eine weitere Bewegung der automatischen Steuerung durch direkten Antrieb in Abhängig-

keit von dem Stift 21 nach dem Steuergestänge. Bei Normalbetrieb ist dieser Lenker überflüssig und er ist mit ausreichen- ^ dem Endspiel (etwa 0,02 Zoll) verbunden, um zu gewährleisten, Sf daß der normale Kraftantrieb nicht beeinträchtigt wird. Unter diesen Umständen wird natürlich der Seitendruck auf den Stift groß und die Charakteristiken der Steuerung würden schlechter so daß die Geschwindigkeit auf etwa 35 km/h vermindert werften müßte und außerdem würde dann der Stift in erhöhtem Maße abgenutzt. Jedoch führt der Ausfall des Kraftantriebes nicht zu einem Gesamtausfall der automatischen Lenkmöglichkeit.

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Wie am besten aus Pig.5 ersichtlich, besteht der Stift 21 aus einem Rohrkörρer, der einen mechanisch widerstandsfähigen äußeren Keramiküberzug 56 aus Titan-Aluminium-Oxyd trägt. Ein Bund 57 verhindert, daß der Stift zu tief in den Führungssehlitz einfällt. Die Lagerung auf dem Hebel 48 ermöglicht eine langsame Drehung des Stiftes, wenn er ander Seite des Führungsschlitzes läuft, so daß die Abnutzungserscheinungen vermindert werden. :

Es können verschlafene elektrische Fühler (nicht dargestellt) benutzt werden, die die Lage der beweglichen Teile des Systems abfühlen und dem Fahrer anzeigen, daß das System ordnungsgemäß arbeitet.

Patentansprüche

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Claims (7)

1. ■ Patentansprüche :

   ί 1.1Automatische Lenkeinrichtung für ein lenkbares Fahrzeug, ^-^ durch welche dieses längs eines in der Fahrbahn angeordneten Führungsschlitzes geleitet wird, wobei der Mechanismus einen Fühler aufweist, der in den Führungsschlith eingreift und die Seitenlage relativ zum Fahrzeug abfühlt,und wobei Mittel vorgesehen sind, um das Lenkgestänge des Fahrzeuges gemäß der abgefühlten Lage einzustellen, damit das Fahrzeug einem vorbestimmten Pfad längs des Schlitzes folgt, dadurch gekennzeichnet , daß ein Arm (22) des Mechanismus nach vorn vorsteht, der den Fühler (21) an seinem vordersten Ende trägt, so daß im Betrieb der Fühler vor den Vorderrädern des Fahrzeuges läuft, daß ein Hilfskraftantrieb (30) das Lenkgestänge des Fahrzeuges betätigt,und daß ein System aus im wesentlichen inkompressiblen Lenkern (28,25,23) die Bewegung des Armes (22) überträgt, um die Hilfskrafterzeugungseinrichtung zu steuern.
2. 2. Automatische Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskraftantrieb (30) aus einem Kolbenantrieb besteht, dessen mechanisches Gestänge (18,17*16,15) das Lenkgestänge des Fahrzeugantreibt, und dass ein Steuerventil (29) durch das inkompressible Lenkersystem (28,25,23) betätigt wird.
3. 3· Automatische Lenkeinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (22) frei um eine Horizontalachse schwenkbar ist und daß ein Hubmechanismus (24) den Arm in eine Ruhe- ' stellung anheben kann.

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4. 4. Automatische Lenkeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet« daß der Fühler einen Stift (21) aufweist, der um eine Horizontalachse am Vorderende des Armes (22) schwenkbar ist,und daß Mittel vorgesehen sind, um den Stift zwischen einer vertikalen Betriebsstellung und einer horizontalen Ruhestellung zu schwenken.
5. 5. Automatische Lenkeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dafl 'Vorspannmlttel (32) selektiv den Stift gegen eine der Seiten des PUhrungsschlitzes vorspannen.
6. 6. Automatische Lenkeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungsmittel (5?,54) die Wirkung des Hilfskraftantriebes (30) steuern. .
7. 7. Automatische Lenkeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k ennzelchnet, daß Mittel (55) vorgesehen sind, um eine Rückkopplung dem System der inkompressiblen Lenker (28) aufzuprägen.

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