DE2630916A1

DE2630916A1 - Servolenkungssystem

Info

Publication number: DE2630916A1
Application number: DE19762630916
Authority: DE
Inventors: Willard Lyle Chichesten; Howard Clair Hansen
Original assignee: Clark Equipment Co
Current assignee: Doosan Bobcat North America Inc
Priority date: 1975-08-07
Filing date: 1976-07-09
Publication date: 1977-02-24
Also published as: US3991846A; GB1530678A; JPS5220532A; BR7605140A; ZA763890B; FR2320218A1; ES450497A1; CA1059919A; AU1643176A

Description

CLARK EQUIPMENT COMPANY in Buchanan (Michigan; V.St.A.)·

Servolenkungssystem.

Das von der Erfindung betroffene Arbeitsgebiet umfaßt ein Servokraftlenkungssystem und insbesondere ein Servolenksystem für elektrische Fahrzeuge,,

Die Servolenksysteme für elektrisch^ angetriebene Hubwagen bzw. Hubkarren und dgl. sind häufig von dem Typ der offenen Mitte. Dies erfordert umlaufende Hydraulikflüssigkeit, um ständig für die Lenkbefehle des Fahrers an die Servosteuerung zur Verfügung zu stehen. Wenn der Fahrschalter sich in der Einschaltstellung befindet und der Totmann- Sitzschalter aktiviert ist, so bei elektrischen Hubkarren, treibt ein elektrischer Lenkmotor eine hydraulische Zahnradpumpe mit feststehender Verdrängung an. So lang die beiden Schalter eingeschaltet sind, läuft der Motor und die Pumpe ständig, obwohl keine Lenkforderung gestellt ist. Das ständige Arbeiten des Lenkmotors und der Pumpe ist zu beanstanden, weil es einen übermäßigen Verschleiß dieser Teile _t einen übermäßigen Kraftverbrauch.welcher bei über eine Batterie angetriebenen elektrischen Fahrzeugen besonders von Nachteil ist, und eine Entwicklung von unangenehmer

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Wärme und solchen Geräuschen ergibt.

Die Erfindung ermöglicht,einen elektrischen Lenkmotor und eine Pumpe für elektrisch angetriebene Fahrzeuge lediglich beim Ansprechen auf Lenkbefehle arbeiten zu lassen und im wesentlichen nur mit dem erforderlichen Leitungspegel, Die Steuerung wird durch die Erzeugung eines Signals bewirkt, welches eine Funktion des Fahrer= befehls bzw. der Fahrerforderung für das Maß"änderung oder die vollständige Änderung im Lenkwinkel ist.

Es ist ein erstes Ziel der Erfindung, bei einem Servolenksystem für elektrische Fahrzeuge einen elektrische Lenkmotor vorzusehen, der eine hydraulische Lenksystempumpe ausschließlich im Ansprechen auf den Lenkbefehl des Fahrers und im wesentlichen dem verlangten Leitungspegel entsprechend antreibt, .um dem Befehl zu genügen.

Die Zeichnung veranschaulicht die beispielsweise Ausführung der Erfindung.

Fig. 1 ist ein chematischer Aufriss eines Servolenksystens für elektrisch-betriebene Fahrzeuge.

Fig.2 gibt das Schema des Servolenksystems wieder.

Fig. 3 zeigt chematisch einen Teil von Fig. 2, welcher eine Abänderung davqn.wiedergibt.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, ist ein Paar von lenkbaren Rädern Io an einer Lenkachse 12 angebracht, an welche sich ein Paa* von Servolenkzylindern 14 befindet, die damit in herkömmlicher Weise verbunden sind und zur Lenkung des Fahrzeuges entsprechend dem Kraftaufwand des Fahrers an dem LenKrad 16 tätig werden können. Wenn das Rad 16 gedreht wird, ergibt sich ein bestimmtes Volumen an Druckflüssigkeit, welches zu den Zylindern 14 Über Leitungen 18 und 2o und einer Steuereinheit 22 geleitet wird, welche in der einen oder anderen

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Richtung durch das Rad 16 aktiviert wird.

Die Steuereinheit 22 ist an eine Speisepumpe 24 und an einen Behälter 26 über Leitungen 28 und 3o , welche durch ein Druckentlastungsventil 31 verbunden sind, und an einen elektrischen Antriebsmotor 32 für die Pumpe über eine Motorsteuerung 34 und ein Steuerventil 36 angeschlossen. Hydraulische Leitungen 38 und 4o verbinden die Steuereinheit 22 mit dem Steuerventil 36. Leitungen 42 und 44 verbinden die Steuerungen 34 und 36. Der Motor 32 ist mit der Steuerung 34 durch elektrische Leitungen 46 und 48 verbunden.

Gemäß Fig.2 umfaßt die Lenksteuereinheit 22 Teile, welche innerhalb des Bereiches zwischen den strichpunktierten Linien chematisch wiedergegeben sind, innerhalb welcher eine umlaufende zumeßpumpe (Drehkolbenpumpe) mit 5o bezeichnet ist. Diese Pumpe ist eine Pumpe mit festliegender Verdrängung ( stetiger Fördermenge), , welche in beiden Drehrichtungen Über das Steuer- Lenkrad 16 antreibbar ist. Außerdem gehört zu den Teilen der Steuereinheit ein zumeßventil 52 von der Spindelbauart, welches zu einer offenen Mittelstellung, wie gezeigt, federbelastet ist und in der Folge nach links oder rechts durch bzw. über ein mechanisches Gestänge 54 entsprechend der Drehrichtung der zumeßpumpe 5o bewegt wird, und ein Rückschlagventil 56. Die Zumeßpumpe 5o kann über Leitungen 58 und 60 mit dem Ventil 52 in einer endlosen Zahl von Meßstellungen davon zwischen den drei Arbeitsstellungen verbunden werden, welche mit "A", B" und "C" bezeichnet sind. Eine geeignete Einheit 22 ist das Char-Lynn Modell W, welches von der Fluid Power Division _of Eaton Corporation of Eden Prairie, Minnesota hergestellt wird. Die Konstruktion und

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Arbeitsweise des Lenksystems, mit Ausnahme der Steuerungen 3>4 und J>6 für den Motor J52, sind herkömmlicher Art und arbeiten wie folgt: Der Motor 32 ist durch eine Batterie angetrieben, um die Pumpe 24 zu betätigen, wenn immer der Startschalter oder die Schalter auf "ein" stehen. Außer für die Einfügung der Erfindung in das Lenksystem jedoch ist bisher ständig Flüssigkeit durch den einen oder anderen oder durch Kombinationen der Abschnitte A, B und C des Ventils 52 zum Umlauf zu bringen. Wenn der Betrieb allein durch einen Abschnitt A erfolgt, so fließt Flüssigkeit unmittelbar bei Atmosphärendruck zu dem Behälter 26 zurück, während beim Betrieb über den Abschnitt B oder C allein Druckflüssigkeit zu den Servozylindern 14 geleitet wird, wobei die rUckfließe'nde Flüssigkeit von den nicht angetriebenen Enden der Zylinder in den Behälter zurückfließt. Um eine Drehung nach rechts zu bewirken, dreht der Fahrer das Lenkrad 16 im Uhrzeigersinn, wobei die Zumeßpumpe 5 ο mechanisch rechtssinnig bzw. nach rechts angetrieben wird, welchem über das mechanische Gestänge 54 die Spindel im Ventil 52 nach rechts folgt, um den Abschnitt B vollständig anzuschließen bzw. einzuschalten oder um eine gewählte Flüssigkeitsmenge durch die Abschnitte A und B zusammen zuzuteilen. Hierbei ist die Pumpe 24 an die Leitung 58 angeschlossen. Eine zusätzliche Drehung der Zumeßpumpe 50 im Uhrzeigersinn mist Druckflüssigkeit von der Leitung 58 in die Leitung 60 zu, um dadurch die Zylinder 15 über die Leitungen 18 zu steuern, was zur Folge hat, daß die Servokolben eine Veränderung bzw. einen Wechsel des Lenkwinkels bewirken. Durch eine solche Wirkung der

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Lenkzylinder verdrängte Flüssigkeit strömt über die Leitungen 2o, den Abschnitt B des Ventils 52 und die Leitung 3o zurück. Jedesmal wenn der Fahrer mit dem Drehen des Lenkrades einhält bzw. dieses stillsetzt, wird das Ventil 52 in den Mittelabschnitt A durch das Gestänge 54 zurückgeführt. Der Ausstoß der Pumpe 24 fließt wieder in den Behälter 26 zurück. Das herkömmliche System arbeitet ähnlich bzw. gleich jedoch in einem umgekehrten Sinn, wenn die Zumeßpumpe 5o entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, um betriebsmäßig den Abschnitt C des Ventils 52 einzuschalten.

Obwohl das Ventil 52 chematisch als Dreistellungsventil gezeigt ist, ist es in Wirklichkeit ein Zumeßventil, welches feinfühlig auf die Richtung, die Geschwindigkeit und den Winkel der Drehung des Lenkrades 16 durch die Zumeßpumpe 5o anspricht, wobei die Betätigung des Ventils bei den ersten wenigen Drehgraden der Pumpe durch das mechanische Gestänge 54 eingeleitet wird. Ein überschüssiger Ausstoß der Pumpe 24 über den für eine einzelne Lenkung geforderten Bedarf von der Pumpe 5o strömt demzufolge durch das Ventil 52 zu dem Behälter über die Leitung 3o zurück.

Der genaue Lenkbedarf wird durch die Zumeßpumpe 5o gesteuert. In dem Fall des Eintritts eines Zustandes, der bestrebt ist, eine Kavitation in der Flüssigkeit in der Lenkung zu verursachen, wenn die Lenkung bei der Pumpe 5o eingeleitet wird, verhütet das Drehen der Pumpe 5o eine Kavitation in der Flüssigkeit durch die linksseitige Leitung J>o und das Rückschlagventil 56 sowie durch das Ventil 52 in die Leitung 58 und 60 je nach der Drehrichtung des Lenkrades.

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Die Erfindung verbindet die Ventil- und Motorsteuerteile 34 und 36 miteinander und die Einheit 22 zum Steuern des Motors 32, wie es vorstehend in allgemeiner Wendung erwähnt ist. Im einzelnen bzw. genauer beschrieben ist das Ventil J>6 ein kleines drei Stellungen einnehmendes hin-und hergehendes Ventil bzw. Doppelventil, welches die Arbeitsabschnitte D, E und P umfaßt,die zur Verbindung nur mit der Pumpe 50 und mit den Leitungen.58 und 60 durch die Leitungen 38 und und mit der Steuerung 34 und den Leitungen 42' und durch eine Leitung 64 mit einem Rückschlagventil 60 darin geeignet sind. Das Ventil 36 ist, wie "gezeigt, im Abschnitt D durch Federung in einer mittleren Lage gehalten und kann durch Flüssigkeitsdruck betätigt werden, um über die Leitungen 68 und 7o zur Einnahme der Abschnitte E oder F gebracht werden. Die Leitungen 68 und 7o verbinden die Ventilenden mit den Leitungen 38 und 4o. Die Steuerung 34 weist einen einstellbaren, geschichteten Kohlewiderstand 72 bzw. eine solche Säule und einen doppelt^wirkenden Plüssigkeitsbetätiger 74 auf, der damit und dem hin- und hergehenden Ventil über Leitungen 42 und 44 verbunden ist. Die Kolbenstange des Betätigers 74 liegt wirkungsmäßig gegen den geschichteten Kohlewiderstand an. Wie es bekannt ist, wird der elektrische Widerstand der Kohlensäule geändert,wenm.das Kopfende des Betätigers 74 unter Druck gesetzt wird, um die Kohlensäule zusammenzudrücken, wobei der Motor 32. durch den veränderlichen Widerstand der Kohlensäule gesteuert wird. Das hin- und hergehende Ventil 36 erfühlt jeden Druckunterschied zwischen den Leitungen 58 und 60, welcher

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das Ventil nach dem Abschnitt E oder P schiebt je nach der Richtung des Druckunterschiedes. Hierbei wird über die Kohlensäule die Wirkung des Motors 32 und der Pumpe 24 während. der und auf die Dauer der Arbeit und der Kraftabgabe entsprechend den Lenkanforderungen gesteuert, wodurch die Zuteilungskraft zu dem Motor 32 entsprechend der einzelnen Lenkanforderung bemessen wird. Es sei bemerkt, daß beim

Fehlen von Anforderungen an die Lenkung zum Wechseln der Betätiger 74 keine Kraft auf die Kohlensäule 72 ausübt, so daß der elektrische Widerstand extrem hoch ist und im wesentlichen kein Strom zum Motor 32 fließt, wobei die Pumpe in Ruhe verharrt mit Ausnahme der Einleitung einer neuen Lenkforderung bzw. eines neuen Lenkbefehls.

Im näheren werden beim Betrieb beim Drehen des Lenkrades durch den Fahrer im Uhrzeigersinn, wie gezeigt, die Zumeßpumpe 5o und das Zumeßventil 52 in rechtshändigem Sinn bzw. rechtsläufig angetrieben, wie es vorbeschrieben ist.und verursacht gleichzeitig die Verbindung der Pumpe 24 mit der Leitung und einen Druckanstieg in "der Leitung 6o, welche mit dem hin- und hergehenden Ventil 36 über die Leitung 4o und die Leitung 7o verbunden ist, um das Ventil nach links zu betätigen und die Leitung 4o mit dem Ende des Betätigers 74 über den Ventilabschnitt F und die Leitung 42 zu verbinden. Das Stangenende des Betätigers 74 ist hierbei mit der Leitung 58 über die Leitung 44 und 38 durch den Ventilabschnitt F verbunden (Die Leitung 64 zum Behälter ist durch den Ventilabschnitt F verschlossen). Auf diese Weise ist der Druck-

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unterschied zu beiden Seiten des Kolbens im Betätiger 74 gleich dem Druckunterschied zwischen den Leitungen 60 und 58, was ein Zusammenpressen der Kohlensäule verursacht, um deren elektrischen Widerstand im Verhältnis zu dem Druckunterschied zu verringern und zu bewirken, daß der elektrische Motor 32 zum Antrieb der Pumpe 24 sich in einer solchen Weise dreht, daß der Druck und das Ausstoßvolumen umgekehrt proportional zu dem Widerstand der Kohlensäule ist und ausreicht, um die Zumeßpumpe 50 zu speisen, so daß sie der Lenkanforderung bzw. dem Lenkbefehl des Fahrers entspricht, wie sie in der Dauer und Geschwindigkeit der Betätigung des Steuerzylinders 14 über die Seite 18 zurückgegeben wird.

Eine Lenkforderung zur Linksdrehung ergibt sich durch einen gleichen Vorgang, jedoch im entgegengesetzten Sinn zu dem vorangehend erwähnten lindem das Ventil 52 nach links betätigt wird, was eine Verbindung der Pumpe 24 mit den entgegengesetzten Enden der Zylinder 14 über die Leitung 2o zur Folge hat, wobei die Richtung des Lenkwinkels umgekehrt ist. Während bzw. da der Druck in der Leitung 58 den Druck in der Leitung 60 übersteigt, wird das hin- und hergehene Ventil 36 bzw. dieses Doppelventil nach rechts betätigt, und es wird wieder der Druckunterschied angewandt, um die Kohlensäule zusammenzudrücken, da der Flüssigkeitsdruck nach dem Kopfende des Betätigers über die Leitung 38 , dem Ventilabschnitt E und die Leitung 42 gerichtet ist. Der Rückstrom ist zum Behälter über die Leitung 44, den Ventilabschnitt E, die Leitung 4o, die Leitung 60,

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den Ventilabschnitt C und die Leitung Jo gerichtet. Es sei bemerkt, daß beim Unterdrucksetzen bej^der dyarr Leitungen 58 und 60 durch die Zumeßpumpe 50 stets mit dem Kopfende des Betätigers 74 verbunden ist, so daß die Kohlensäule sowohl beim Rechts- als auch beim Linksdrehen zusammengedrückt wird.

Wenn ein Lenkbefehl (eine Lenkanforderung) beendet ist, so läßt das mechanische Gestänge die Rückkehr des Ventils 52 in eine mittlere bzw. mittige Lage zu, wobei die Verbindung der Pumpe 24 mit allen hydraulischen Teilen unterhalb des Ventils 52 unterbrochen wird sowie jeder Druck unterhalb des Ventils zum Behälter über die Leitung Jo zurückkehrt. Da der Druckunterschied durch den Betätiger 74 bis auf Null verschwindet, verlangsamt der ergebende, wachsende elektrische Widerstand der _xKohlensäule 72 den Motor und die Pumpe bis zum Halten. Zur gleichen Zeit kehrt die Feder, welche das hin- und hergehende Ventil bzw. das Doppelventil J>6 belastet, in eine mittlere Lage zurück und führt zur Aufhebung bzw. dem Verschwinden des Druckunterschiedes am Kolben des Betätigers 74. Der in beiden Enden des Betätigers verbleibende Druck ist der Druckeinstellung des Niederdruckrüekschlagventils 66 gleich.

Die gemäß der Erfindung den vorhandenen herkömmlichen Lenksystem zugefügtenTeile sind kostenniedrig und leicht erhältlich. Ein Merkmal und Vorteil des auf Befehl ansprechenden Servokraftlenksystems besteht darin, daß der Motor und die Pumpe 24 und 32 niemals die Richtung ohne Rücksicht auf eine Lenkung nach rechts oder links ändern. Auch besteht bei der technischen

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Ausführung des Systems keine Notwendigkeit, den Ausstoß bzw. den Auslaß der Pumpe 74 auf genaues Ansprechen einzustellen, weil ein hohes Ansprechen leicht durch Auswahl der Pumpe und des Motors erreicht wird und die Teile der Motorsteuerung 54 für Eigenschaften erreicht werden, die für einen geringen 'Überschuß von Pumpenstrom-und-druck über die Anforderungen des vom Fahrer gegebenen Befehls hinaus sorgen, in·*- * sofern als die Einheit 22 jeden Überschuß dem Behälter zuteilt.

Es ist für den Fachmann klar, daß z. B. ein Druckschalter in der Leitung 42 oder auf der Ausstoßseite der Pumpe 24 eingefügt werden kann, der bei einem vorbestimmten Druck einen Kontakt schließt, um die Kohlensäule 22 aus dem Stromkreis zu schalten bzw. herauszunehmen, so daß der Motor 52 die volle Batteriekraft zum Erzeugen von Lenkeinschlägen von größten Graden gegen größten Bodenwiderstand empfängt.

Fig. 5 zeigt eine Abänderung der Motorsteuereinrichtung 54 bei 54', worin gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig, 2 versehen sind. Anstelle der Kohlensäule 72 kann eine ortsfeste Gleichstrom (DC) Steuerung 78 für den elektrischen Motor vorgesehen sein, sowohl die SCR-Type als auch die Krafttransitortype zusammen mit einem veränderlichen Resistor. Wie es gezeigt ist, ist die Kolbenstange mit Zahnstangentriebzähnen 80 versehen, welche mit einem Zahnrad 82 Kämmen, das aufgekeilt ist und den Rotor eines veränderlichen Resistors 84 antreibt. Jeder Lenkbefehl äußert sich in einer entsprechenden Verschiebung

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der Kolbenstange, wie es oben besohriebeb ist, was eine Winkelbewegung des Zahnrades zur Folge hat, welches seinerseits winklig den veränderlichen Resistorrotor 84 verlagert bzw. verdreht. Die sich ergebende Änderung des elektrischen Widerstandes bewirkt eine Zunahme oder Abnahme in der aufgeteilten Kraftabgabe der Motorsteuerung 78, welche mit dem Resistor über Leitungen 86 und 88 verbunden ist, um die rpm (U/min.) und Kraftabgabe des elektrischen Antriebsmotors J52 zu steuern. Die Einheit 78 kann jede geeignete, bekannte,ortsfeste Gleichstromsteuerung für Motoren, wie eine der beiden oben genannten Typen sein.

Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben sind, ist es für den Fachmann klar, daß Änderungen im Aufbau, der Form und der relativen Anordnung der Teile möglich sind, ohne notwendigerweise-vom Erfindungsgedanken abweichen zu müssen. Demzufolge sollen auch alle solchei\Änderungen von der Erfindung umfaßt werden.

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Claims

CLARK EQUIPMENT COMPANY in Buchanan(Michgan V.St.A.) Patentansprüche.

1.JHydraulisches Lenksystem für Fahrzeuge, gekennzeichnet durch Steuerungen (16, 22, 36), lenkbare Fahrzeugräder (lo), einen hydraulischen Motor (14) zum Betätigen der Räder, um das Fahrzeug zu lenken, eine hydraulische Pumpe (24) zur Betätigung der Motore zum Lenken des Fahrzeuges entsprechend der Steuerung, welche ein Signal erzeugt, das. eine Funktion des Fahrerbefehls für den Grad der Änderung und eine vollständige Änderung des Lenkwinkeis ist,eiimelektrischen Motor (32) und eine Motorsteuerung (34), die auf das Signal zum intermitierenden Antreiben der,p_Umpe. Jt_n Antwort auf einen Fahrerbefehl und als Funktion des Fahrerbefehls zur gradmäßigen Änderung und zur vollständigen Änderung des Lenkwinkels anspricht.

2. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung einen dem Signal entsprechend veränderlichen Resistor umfaßt.

3. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Resistor aus einer zusammendrückbaren Kohlensäule besteht.

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4. Hydraulisches . Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal durch hydraulischen Druck gebildet ist.

5. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung auf das hydraulische Drucksignal ansprechende Mittel umfaßt, die betriebsmäßig mit dem elektrischen Motor zum Erregen bzw. Einschalten und zum Anschalten des Motors und zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit verbunden sind. ¹

6. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung eine entsprechend dem hydraulischen Drucksignal zusammenzupressende Kohlensäule umfaßt.

7. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung einen in der gleichen Richtung zum hydraulischen Drucksignal unabhängig von der Richtung der Lenkung ansprechenden, hydraulischen Betätiger umfaßt.

8. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß-die Pumpe eine Pumpe mit festgelegter Verdrängung ist, die in einer Richtung nur durch den elektrischen Motor antreibbar ist, wobei die Steuerung des Fahrers ein Richtungssteuerventil zur Lenkung des Fahrzeuges in beiden Richtungen umfaßt.

9. Hydraulisches Lenksystem naoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung betriebsmäßig mit dem Elektromotor zur Erregung bzw. zum^ Einschalten und Abschalten des Motors und zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit verbunden ist.

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-r-

10. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Fahrers eine umkehrbare Pumpe mit festliegender Verdrängung umfaßt, die unmittelbar durch die Steuerung des Fahrers zum Erzeugen des Signals, so des hydraulischen Druckes, betätigt wird, wobei die Motorsteuerung immer in der gleichen Richtung auf das hydraulische Drucksignal zur Steuerung des elektrischen Motors anspricht.

11. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung eine zusammendruckbare Kohlensäule umfaßt.

12. Hydraulisches Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe allein im Ansprechen auf und als Funktion des Befehls für den Grad der Änderung oder die vollständige Änderung des Lenkwinkels angetrieben wird.

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