DE20304336U1

DE20304336U1 - Servolenksystem

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Publication number: DE20304336U1
Application number: DE20304336U
Authority: DE
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2013-03-19

Description

PRINZ &^ARTNER·^

PATENTANWÄLTE Manzingerweg 7

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18. März 2003

TRW Fahrwerksysteme GmbH & Co. KG
Hansaallee 190
40547 Düsseldorf

Unser Zeichen: T1023 9 DE

St/Si

Servolenksystem

Die Erfindung betrifft ein Servolenksystem für ein Fahrzeug, mit einem Lenkgestänge, einem Lenkgetriebe, einem Lenkrad, das mit einem Steuer-Hydraulikmotor verbunden ist, einer Modulator-Pumpe, die mit dem Steuer-Hydraulikmotor parallel geschaltet ist und einen Hydraulikstrom bereitstellen kann, der demjenigen überlagert wird, der von dem Steuer-Hydraulikmotor bereitgestellt wird und mit einer Steuerelektronik, die die Modulator-Pumpe steuert.

In heutigen Kraftfahrzeugen sind Servolenksysteme allgemein üblich, bei denen in Abhängigkeit eines Eingangslenkmoments während eines Lenkmanövers eine Servountersrützung auf die gelenkten Fahrzeugräder wirkt. Insbesondere sind Servolenksysteme bekannt, bei denen die vom Fahrer stammende Lenkbewegung mit einer von einer Servoeinrichtung erzeugten Hilfsdrehbewegung additiv überlagert wird.

Dadurch lässt sich z.B. geschwindigkeitsabhängig die Lenkübersetzung variieren. So können beispielsweise beim Einparken notwendige große Radschwenkbewegungen mit geringem Lenkausschlag herbeigeführt werden.

In der Offenlegungsschrift DE 44 17 510 ist ein Servolenksystem gezeigt, bei dem über ein getriebeartiges Stellglied eine erste Lenkbewegung des Fahrers und eine von einer Servoeinrichtung erzeugte zweite Lenkbewegung überlagert an das Lenkgetriebe

geführt werden. Bei einem Ausfall der Servounterstützung wird das Getriebe umgeschaltet, so dass gleichzeitig mit der Abkopplung der Servoeinrichtung auf eine direktere Übersetzung übergegangen wird. Hieraus ergibt sich bei einem Ausfall der Servokomponente ein in etwa gleicher - und daher vertrauter - Lenkwinkelbedarf für den Fahrzeuglenker, allerdings bei erhöhten Lenkmomenten. Das getriebeartige Stellglied zur Überlagerung der Drehbewegungen umfasst ein Planetengetriebe mit einem Schaltmittel, welches zwischen einer servounterstützten Normal-Position, einer Notlauf-Position und der Position eines &ldquor;Steer by Wire"-Betriebs umschaltet.

Ein solches mechanisches Überlagerungsgetriebe birgt allerdings einige Nachteile hinsichtlich der Komplexität der Komponenten und der Geräuschentwicklung. Auch treten unerwünschte Reaktionskräfte am Lenkrad bei Stelleingriffen der Servoeinrichtung auf, die sich nicht so einfach kompensieren lassen. Darüber hinaus kommt es im Planetengetriebe zwangsläufig zu Reibungsverlusten, die den Wirkungsgrad der Anordnung negativ beeinflussen.

Gegenüber solchen Lenksystemen mit mechanischem Durchgriff vom Lenkrad zu den gelenkten Rädern bieten Lenksysteme der &ldquor;Steer by Wire"-Art, bei denen keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgestänge des Fahrzeugs besteht, generell Vorteile hinsichtlich der Flexibilität bei der Lenkunterstützung. So können in der Regel der Unterstützungsbereich und der Grad der Unterstützung frei vorgegeben werden. Durch entsprechende Backup-Systeme wird eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet.

Aus der Offenlegungsschrift DE 100 40 870 ist ein elektrohydraulisches Lenksystem nach &ldquor;Steer by Wire"-Art bekannt, bei dem ein mit dem Lenkrad verbundener Steuer-Hydraulikmotor über einen Steuer-Hydraulikkreis mit einem Steuer-Hydraulikzylinder verbunden ist. Parallel zum Steuer-Hydraulikmotor ist eine Modulator-Pumpe geschaltet, deren Hydraulikstrom den Hydraulikstrom des Steuer-Hydraulikmotors überlagert, wodurch die vom Lenkrad vorgegebenen Lenkbefehle variiert oder korrigiert werden können. Darüber hinaus ist ein Servo-Hydraulikzylinder zur Lenkunterstützung vorgesehen, mit einer Servo-Pumpe und einem Servo-Hydraulikkreis, welcher von einer

Steuerelektronik gesteuert wird. Es wirken hier anstelle eines Lenkgetriebes also Hydraulikzylinder auf das Lenkgestänge.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Servolenksystem nach &ldquor;Steer by Wire"-

Art zu schaffen, bei dem eine Lenkbewegung des Fahrers und eine Hilfsbewegung der Servoeinrichtung bei einer reibungsarmen Kraftübertragung und einer verringerten Geräuschentwicklung additiv überlagert werden, das einfach zu realisieren ist und das sich mit bestehenden Lenkgetrieben verbinden läßt.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung in einem Servolenksystem der eingangs genannten Art der Steuer-Hydraulikmotor durch einen Steuer-Hydraulikkreis mit einem Getriebe-Hydraulikmotor verbunden ist, wobei der Getriebe-Hydraulikmotor mit einer Eingangswelle des Lenkgetriebes verbunden ist.

Der Steuer-Hydraulikkreis ist gemäß der Erfindung über einen Steuer-Hydraulikmotor mit der Lenkwelle eines Lenkrades und über einen Getriebe-Hydraulikmotor mit der Eingangswelle eines Lenkgetriebes verbunden. Prinzipiell kommt hierbei jede Art von Lenkgetriebe in Frage, bei der das Lenkmoment über eine Eingangswelle übertragen wird, so dass das erfindungsgemäße Servolenksystem leicht mit einer Vielzahl bestehender Lenkgetriebe zusammenwirken kann. Die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern ist im erfindungsgemäßen Servolenksystem somit durch einen hydrostatischen Antrieb ersetzt. Eine Modulator-Pumpe, durch deren Einwirkung in den Hydraulikstrom eine zweite Lenkbewegung geschaffen werden kann, die der Lenkbewegung des Lenkrads überlagert wird, ist parallel zu dem mit der Lenkwelle verbundenen Steuer-Hydraulikmotor des Steuer-Hydraulikkreises an diesen angebunden und wird von einem elektrischen Stellmotor angetrieben.

Die Modulator-Pumpe kann über ein Magnetventil vom Lenkkreis abgetrennt werden, wodurch der Steuer-Hydraulikkkreis sich wie ein reiner hydrostatischer Antrieb ohne ServounterStützung verhält. Dadurch wird eine Rückfallebene bei Störungen der Unterstützungskomponente gebildet und die Ausfallsicherheit erhöht.

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Eine Steuerelektronik, der alle Signalinformationen zufließen, und die sämtliche Servoeinrichtungen überwacht, steuert die Modulator-Pumpe in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Fahrzeuggierrate, wobei diese Werte auf bekannte Weise über entsprechende Sensoren ermittelt werden können.

Ein Akkumulator zum Einstellen eines Arbeitsdrucks, zur Unterdrückung von Kavitations-Effekten und zum Ausgleich von Variationen der Fluid-Dichte, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, ist über ein zwei Rückschlagventile an den Steuer-Hydraulikkreis angebunden. Jedes Rückschlagventil ist mit einer Pilotleitung versehen, die mit dem Druck im entgegengesetzten Strang des Steuer-Hydraulikkreises beaufschlagt ist. Dadurch wird beim Auftreten eines Überdrucks der Steuer-Hydraulikkreis entlastet. Ein Druckausgleich durch den Akkumulator findet nur bei Überschreitung einer bestimmten Druckhöhe statt. Kleine Druckunterschiede werden von ihm nicht ausgeglichen, wodurch Störungen des Lenkgefühls bei kleinen Lenkbewegungen vermieden werden.

Der Steuer-Hydraulikkreis weist in seiner Verbindung zum Lenkrad ein elektronisch gesteuertes Drosselventil auf, mit dem sich die Verbindung des Steuer-Hydraulikmotors mit dem Steuer-Hydraulikkreis drosseln oder unterbrechen lässt. Auf diese Weise lassen sich die bei Stelleingriffen des Stellmotors der Modulator-Pumpe am Lenkrad auftretenden Reaktionskräfte reduzieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Lenkgetriebe eine Zahnstangenlenkung, und die vom Steuer-Hydraulikkreis auf die Eingangswelle des Lenkgetriebes übertragenen Lenkmomente werden von einer elektrischen Servoeinrichtung verstärkt. Dadurch bleibt der Differenzdruck im Steuer-Hydraulikkreis im Normalbetrieb relativ gering. Der Differenzdruck wird mit je einem Drucksensor auf der Hoch- und der Niederdruckseite des Steuer-Hydraulikkreises überwacht. Darüber hinaus ist ein Drehmomentsensor an der Eingangswelle des Lenkgetriebes vorgesehen, der das vom Steuer-Hydraulikkreis über den Getriebe-Hydraulikmotor übertragene Drehmoment erfasst. Ein Positionssensor am Lenkgestänge ermittelt dessen Position, und ein an der Lenkwelle angebrachter Winkelsensor ermittelt die Lenkradposition. Die Daten der Sensoren werden der Steuerelektronik zur Überwachung der

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Servoeinrichtungen zugeführt, die im Störungsfall eine Abschaltung der Unterstützungskomponenten vornimmt.

Die wesentlichen Funktionsmerkmale des erfindungsgemäßen &ldquor;Steer by Wire"-Servolenksystems lassen sich auf bestehende Servolenkungen übertragen, indem die hydrostatische Verbindung zu den gelenkten Rädern über einen Getriebe-Hydraulikmotor erfolgt, der mit der Eingangswelle des bestehenden Lenkgetriebes verbunden wird.

Für ein Einwirken der Modulator-Pumpe auf die Lenkbewegung lassen sich vier verschiedene Betriebsarten unterscheiden. Wenn der mit der Modulator-Pumpe verbundene Stellmotor dieselbe Drehrichtung wie die vom Fahrer über das Lenkrad betätigte Lenkwelle aufweist, findet in einer ersten Betriebsart eine Reduzierung der Lenkübersetzung z.B. bei Einpark-Manövern statt. In einer zweiten Betriebsart können von einer Fahrzeug-Stabilitätskontrolle ausgelöste Korrektur-Impulse auf den Stellmotor der Modulator-Pumpe wirken, die von den Lenkbetätigungen des Fahrers unabhängig sind. Diese Korrektur-Impulse stellen in der Regel ein eher hochfrequentes Signal dar.

Korrektur-Impulse mit niederer Frequenz können dem Stellmotor der Modulator-Pumpe in einer dritten Betriebsart von einem System zur Kontrolle der Lenkradposition zugeführt werden, um z.B. bei einem Druckverlust durch eine geringfügige Leckage des Steuer-Hydraulikkreises die korrekte Stellung des Lenkrades wiederherzustellen. In einer vierten Betriebsart schließlich lässt sich die Modulator-Pumpe durch ein Magnetventil vollständig vom Steuer-Hydraulikkreis abtrennen. Dies erfolgt bei Ausfall einer Servokomponente des Modulator-Hydraulikkreises, so dass der Steuer-Hydraulikkreis dann ohne Änderung der Lenkübersetzung arbeitet.

Das erfindungsgemäße Servolenksystem hat gegenüber bekannten Lenksystemen mit einem mechanischen Überlagerungsgetriebe Vorteile hinsichtlich einer einfachen und kostengünstigen Realisierung. Die Anordnung kann entweder als kompakte integrierte Einheit oder als aufgelöstes System dargestellt werden. Die Geräuschentwicklung ist geringer und eine spielfreie und zugleich reibungsarme Kraftübertragung ist einfacher zu realisieren. Im Gegensatz zum mechanischen Überlagerungsgetriebe kann die Übersetzung und die Drehrichtung der Eingangswelle eines bestehenden Lenkgetriebes beibehalten werden. Darüber hinaus lassen sich zusätzliche Maßnahmen zur Reduzierung

von störenden Reaktionskräften am Lenkrad einfach realisieren. Als Lenksystem der &ldquor;Steer by Wire"-Art ergeben sich gegenüber einem Lenksystem mit einer mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Servolenksystems. Der Grad der Lenkunterstützung lässt sich ebenso frei vorgeben wie der unterstützte Bereich. Über eine Verbindung zur Fahrzeug-Stabilitätskontrolle kann diese aktiv auf die Fahrzeuglenkung einwirken. Im Fall eines Fehlers in der Hilfsbewegung der Servoeinrichtung besteht immer noch die hydrostatische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten einzigen Figur dargestellt ist. In dieser ist in einer schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Servolenksystem in Verbindung mit einem bestehenden Lenkgetriebe gezeigt.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Servolenksystem 1 in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Lenkgestänge 24, daran angebundenen Fahrzeugrädern 23 und mit einem Steuer-Hydraulikkreis 2. Der Steuer-Hydraulikkreis 2 stellt ein hydrostatisches Verbindungsglied zwischen einem Lenkrad 9 und den gelenkten Rädern 23 dar. Er umfasst einen Steuer-Hydraulikmotor 7, der mit der Lenkwelle 8 des Lenkrades 9 verbunden ist, und einen Getriebe-Hydraulikmotor 10, der mit der Eingangswelle 11 eines Lenkgetriebes 4 verbunden ist. Dem Steuer-Hydraulikmotor 7 ist über einen Modulator-Hydraulikkreis 3 eine Modulator-Pumpe 6 parallel geschaltet. Angetrieben wird die Modulator-Pumpe 6 über einen elektrischen Stellmotor 5. Der von der Modulator-Pumpe 6 erzeugte Hydraulikstrom wird somit demjenigen überlagert, der von dem Steuer-Hydraulikmotor 7 bereitgestellt wird, so dass die in beiden Hydraulikkreisen erzeugten Drücke additiv auf den Getriebe-Hydraulikmotor 10 wirken und dort ein aus der Lenkbewegung des Fahrers und der Hilfsdrehbewegung der Modulator-Pumpe 6 zusammengesetztes Lenkmoment hervorrufen. Der Getriebe-Hydraulikmotor 10 überträgt das Lenkmoment auf die Eingangswelle 11 des Lenkgetriebes 4, wo es durch eine elektrische Servoeinrichtung 12 verstärkt wird.

In der in Figur 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Lenkgetriebe 4 zur Verstellung der lenkbaren Räder 23 ein Zahnstangengetriebe 14.

An den Steuer-Hydraulikkreis 2 ist über zwei Rückschlagventile 17 ein mit Stickstoff

gefüllter Akkumulator 16 angebunden. Beide Rückschlagventile 17 sind mit einer Pilotleitung versehen, die jeweils mit dem Druck im entgegengesetzten Strang des Steuer-Hydraulikkreises 2 beaufschlagt ist. Sie öffnen bei Überschreitung einer bestimmten Druckhöhe auf der Seite des hohen Drucks die Akkumulator-Zuleitung zur Seite geringeren Drucks und gleichen damit Kavitations-Effekte und Temperatureinflüsse auf die Fluid-Dichte aus. Bei geringen Druckunterschieden wird keine Zuleitung zum Akkumulator geöffnet. Drucksensoren 18 überwachen den Druck zu beiden Seiten des Getriebe-Hydraulikmotors 10.

Über ein elektronisch gesteuertes Drosselventil 19 in der hydrostatischen Verbindung zum Lenkrad 9 lassen sich durch den Stellmotor 5 hervorgerufene Reaktionskräfte reduzieren, die sonst ein störendes Feedback am Lenkrad 9 hervorrufen würden.

Ein Magnetventil 20 ermöglicht eine Abtrennung des Modulator-Hydraulikkreises 3 vom Steuer-Hydraulikkreis 2 im Fall einer Fehlfunktion des Modulator-Hydraulikkreises, so dass der dann in sich geschlossene Steuer-Hydraulikkreis 2 als hydrostatischer Antrieb ohne Servounterstützung weiter funktionstüchtig bleibt. Dabei wird das Magnetventil 20 vorzugsweise mit einer Feder mechanisch in eine Stellung beaufschlagt, in der die Modulator-Pumpe vom Steuer-Hydraulikkreis abgekoppelt ist, wodurch das System bei Ausfall der Versorgungsspannung automatisch auf die Rückfallebene gebracht wird.

Eine Steuerelektronik 22 überwacht und kontrolliert die Funktionen der Servoeinrichtungen und sorgt im Störungsfall für ihre Abschaltung. Dazu werden ihr die Signale der Drucksensoren 18 in den Zuleitungen zum Getriebe-Hydraulikmotor 10, eines an der Eingangswelle 11 des Lenkgetriebes 4 angeordneten Drehmomentsensors 13, eines Positionssensors 15 zur Erfassung der Position des Lenkgestänges 24 und eines an der Lenkwelle 8 angeordneten Winkelsensors 21 zur Erfassung der Lenkradposition zugeführt und von ihr verarbeitet. Darüber hinaus wird im Normalbetrieb die Modulator-

Pumpe über die Steuerelektronik 22 anhand von Signalen zur Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeuggierrate gesteuert.

Claims

1. Servolenksystem für ein Fahrzeug, mit einem Lenkgestänge (8), einem Lenkgetriebe (4), einem Lenkrad (9), das mit einem Steuer-Hydraulikmotor (7) verbunden ist, einer Modulator-Pumpe (6), die mit dem Steuer-Hydraulikmotor (7) parallel geschaltet ist und einen Hydraulikstrom bereitstellen kann, der demjenigen überlagert wird, der von dem Steuer-Hydraulikmotor (7) bereitgestellt wird, und mit einer Steuerelektronik (22), die die Modulator-Pumpe (6) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebe-Hydraulikmotor (10) vorgesehen ist, der durch einen Steuer-Hydraulikkreis (2) mit dem Steuer-Hydraulikmotor (7) verbunden ist, wobei der Getriebe-Hydraulikmotor (10) mit einer Eingangswelle (11) des Lenkgetriebes (4) verbunden ist.

2. Servolenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetventil (20) vorgesehen ist, mittels dem die Modulator-Pumpe (6) vom Steuer- Hydraulikkreis (2) abgetrennt werden kann.

3. Servolenksystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (22) einen Eingang für ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal aufweist und in Abhängigkeit von diesem Signal die Modulator-Pumpe (6) steuert.

4. Servolenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (22) einen Eingang für ein Fahrzeuggierraten-Signal aufweist und in Abhängigkeit von diesem Signal die Modulator-Pumpe (6) steuert.

5. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akkumulator (16) über zwei Rückschlagventile (17) an den Steuer-Hydraulikkreis (2) angebunden ist und diesen mit einem Arbeitsdruck beaufschlagt.

6. Servolenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rückschlagventil (17) mit einer Pilotleitung versehen ist, die mit dem Druck im entgegengesetzten Strang des Steuer-Hydraulikkreises (2) beaufschlagt ist.

7. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer-Hydraulikkreis (2) ein Drosselventil (19) aufweist, mittels dem die Verbindung des Steuer-Hydraulikmotors (7) mit dem Steuer- Hydraulikkreis (2) gedrosselt oder unterbrochen werden kann.

8. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentsensor (13) an der Eingangswelle (11) des Lenkgetriebes (4) angeordnet ist, der das vom Getriebe-Hydraulikmotor (10) übertragene Lenkmoment erfasst und dessen Signal der Steuerelektronik (22) zur Verfügung gestellt wird.

9. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Lenkgestänge (24) ein Positionssensor (15) und an der Lenkwelle (8) ein Winkelsensor (21) angeordnet ist, deren Signale der Steuerelektronik (22) zur Verfügung gestellt werden.

10. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer-Hydraulikkreis (2) in den beiden Zuleitungen zum Getriebe-Hydraulikmotor (10) jeweils einen Drucksensor (18) aufweist, dessen Signal der Steuerelektronik (22) zur Verfügung gestellt wird.

11. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (4) ein Zahnstangengetriebe (14) umfasst.

12. Servolenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Servoeinrichtung (12) vorgesehen ist, welche die vom Getriebe-Hydraulikmotor (10) auf die Eingangswelle (11) des Lenkgetriebes (4) übertragenen Lenkmomente verstärkt.