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Hydraulische Lenkeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine
hydraulische Lenkeinrichtung, bei der ein Servomotor zwischen den mit einem Lenkhandrad
verbundenen Eingangs teil der Lenksäule und deren mit einem Lenkgetriebe verbundeen
Ausgangsteil geschaltet und i;ber ein in Abhängigkeit von der Lenkhandraddrehung
betätigbares Steuerventil mit Druckflüssigkeit versorgt ist.
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Bekannte Lenkeinrichtungen dieser Art (US-PS 28 21 171) besitzen ein
Steuerventil, das direkt mit dem Eingangsteil der Lenksäule verbunden ist. Es wird
geöffnet, indem der Eingangsteil gegen die Kraft einer Feder eine Relativdrehung
mit Bezug auf den Ausgangsteil der Lenksäule bzw. den Rotor des Servomotors durchführt.
Derartige Lenkeinrichtungen.haben den Vorteil, daß sie eine durchgehende mechanische
Lenksäule ersetzen und daher, auch nachträglich, in ein übliches Kraftfahrzeug eingebaut
werden können. Es hat sich aber gezeigt, daß die der Servomotor nachgeschalteten
Teile der Lenkeinrichtung (Lenkgetriebe, Lenkgestänge u. dgl.) häufig überbeansprucht
wurden und daher verstärkt werden mußten.
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Es ist auch eine Lenkvorrichtung bekannt (US-PS 29 62 108), bei der
der Servomotor e:rst am Lenkgestänge angreift, das mit dem Lenkhandrad über eine
mechanisch durchgehende Lenksäule und ein Lenkgetriebe verbunden ist. Da hier eine
unmittelbare mechanische Ansteuerung des Steuerventils durch das Lenkhandrad nicht
möglich ist, wird an der Lenksäule ein Eingangsmoment-Signalgeber und am Lenkgestänge
ein Ausgangsmoment-Signalgeber angebracht. Die beiden Signalgeber werden je über
einen Signalverstärker mit einem Differenzverstärker verbunden, der seinerseits
das Steuerventil betätigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Lenkeinrichtung
der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß eine Uberlastung der ausgangsseitigen
Teile der Lenkeinrichtung vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Eingangsteil
der Lenksäule ein Eingangsmoment-Signalgeber und an deren Ausgangste il er,n Ausgangsmoment-
Signal geber angebracht sind, daß beiden Signalgebern ein Signalverstärker nachgeschaltet
ist, von denen der Eingangsmoment-Signalverstärker einen größeren Verstärkungsfaktor
aufweist als der Ausgangsmoment-Signalverstärker, daß das Steuerventil in Abhängigkeit
von der Differenz der Ausgangssignale beider Signalverstärker aus seiner Neutral
stellung verstellbar ist und daß eine Begrenzerschaltung vorgesehen ist, die das
Ausgangsmoment bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalwerts unabhängig vom Eingangsmoment
konstant hält.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bisherige Uberlastung
darauf zurückzuführen ist, daß sich im Ausgangsteil der Lenksäule das Drehmoment
des Servomotors und das am Lenkhandrad aufgebrachte Drehmoment überlagern. Wenn
beispielsweise trotz Erreichen des maximalen Motordrehmoments der Fahrer noch ein
zusätzliches starkes Handdrehmoment aufbringt, können die
Ausgangsteile
der Lenkeinrichtung überlastet werden. Gemäß der Erfindung kann ein vorgegebener
Maximalwert des Ausgangsdrehmoments nicht überschritten werden. Wird das Eingangsmoment
weiter gesteigert, obwohl das maximale Ausgangsmoment erreicht ist, so wird der
Servomotor über das Steuerventil mit einer abnehmenden Druckfltlssigkeitsmenge versorgt.
Inl übrigen Arbeitsbereich ergibt sich ein eindeutiger funktioneller Zusammenhang,
erstrebenswert sogar Proportionalität, zwischen dem Eingangsmoment und dem Ausgangsmoment
und daher auch zwischen dem Handdrehmoment und dem Motordrehmoment. Der Fahrer hat
daher ein sehr gutes, von der äußeren Belastung abhängiges Fahrgefühl.
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Insbesondere kann die Begrenzerschaltung zwei gegensinnig in Reihe
geschaltete Zenerdioden im Gegenkopplungszweig des Eingangsmoment-Signalverstärkers
aufweisen. Ist die Zenerspannung erreicht, bleibt das Ausgangssignal des Eingangsmoment-Signalverstärkers
konstant mit der Folge, daß auch das Ausgangsmoment konstant gehalten wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß das Steuerventil
von zwei Kraftgebern beeinflußt ist, je eine einem Ausgangssignal eines Signalverstärkers
proportionale Kraft erzeugen und bei gleichsinnigen Ausgangssignalen gegensinnig
arbeiten. Hierbei dient das Steuerventil gleichzeitig als Vorrichtung zur Bildung
der Differenz der Ausgangssignale. Dies ergibt einen einfachen Aufbau.
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Insbesondere können die Kraftgeber je eine mit einem mit den Ausgangssignalen
proportionalen Erregerstrom gespeiste Ma£netspule aufweisen, die mit einem Permanentmagneten
zusammenwirken.
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Hiermit läßt sich der gewünschte Zusammenhang zwischen elektrischem
Signal und Kraft sehr leicht herstellen.
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Vorzugsweise besitzt das Steuerventil einen Axialschieber, der an
beiden Enden einen Permanentmagneten innerhalb einer gehäusefesten
Magnetspule
trägt. Dieser Axialschieber nimmt bei Kraftgleichgewicht seine neutrale Mittelstellung
ein und verschiebt sich bei Kraftdifferenz nach der einen oder anderen Seite.
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In weiterer Ausgestaltung empfiehlt es sich, daß der Permanentmagnet,
der der Eingangsmoment-Magnetspule zugeordnet ist, fest auf einem Endzapfen des
Axialschiebers, der andere Permanentmagnet dagegen lose auf dem anderen Endzapfen
sowie zwischen zwei Anschlägen am Axialschieber und zwei Anschlägen am Gehäuse angeordnet
ist. Die lose Passung dient dazu, den Schwer unabhängig vom Vorzeichen des Ausgangsmoments
in die Neutrallage zu bringen, wenn das Ausgangsmoment das Eingangsmoment übersteigt.
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Außerdem wird ein vom Ausgangsmoment abhängiger Anfangswiderstand
erzeugt, den der Fahrer überwinden muß.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge beider Signalverstärker
mit je einem Eingang einer Vergleicherschaltung verbunden, die ein Differenzsignal
zur Steuerung des Servoventils abgibt. Hier kann beispielsweise eine einzige Magnetanordnung
stromrichtungsabhängig auf einen Axialschieber wirken,der durch Neutralstsllungsfedern
belastet ist.
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Hierbei empfiehlt es sich, wenn die Vergleicherschaltung außerdem
eine Signalunterdrückungsschaltung aufweist, die das Differenzs:ignal unterdrückt,
wenn das Eingangsmoment-Ausgaagssignal kleiner als das Ausgangsmoment-Ausgangssignal
ist. Die Signalunterdrückungsschaltung kann auch dann ansprechen, wenn die Ausgangssignale
der Signalverstärker unterschiedliche Vorzeichen haben In beiden Fällen arlrden
Fehler signalisiert, bei denen es zweckmäßig ist, das Steuerventil in die Neutralstellung
zurückkehren zu lassen.
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Eine sehr einfach aufgebaute Schaltung hierfür ist gekennzeichnet
durch sechs Vergleicher, deren nicht-invertierende Eingänge paarweise mit den Ausgangssignalen
bzw. deren Differenzsignal
versorgt sind, deren invertierende Eingänge
beim ersten Vergleicher jedes Paares mit einer ersten Bezugs spannung und beim zweiten
Vergleicher jedes Paares mit einer zweiten symmetrisch zur ersten Bezugs spannung
liegenden Bezugsspannung versorgt sind und deren Ausgänge über je einen Widerstand
mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung verbunden sind, und durch zwei weitere Vergleicher,
von denen der nicht-invertierende Eingang des ersten Vergleichers und der invertierende
Eingang des zweiten Vergleie chers mit der gemeinsamen Ausgangsleitung verbunden
sind, die beiden anderen Eingänge je mit einer von symmetrisch angeordneten dritten
und vierten Bezugsspannungen versorgt sind und deren Ausgänge über je eine Diode
mit einer Steuerleitung zum Steuern eines Analog-Schalters verbunden sind, der im
leitenden Zustand das Differenzsignal zum Ausgang leitet, im nicht-leitenden Zustand
aber ein Signal am Ausgang unterdrückt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter,
bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Schaubild einer hydraulischen Lenkeinrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch das Steuerventil
der Fig. 1, Fig. 3 in Diagrammen die im Steuerventil wirksamen Kräfte über dem Eingangs-
bzw. Ausgangsmoment, Fig. 4 die in der Lenkeinrichtung auftretenden Momente bei
einer ersten Ausführungsform, Fig. 5 Teile der Lenkeinrichtung bei einer alternativen
Ausführungsform und
Fig. 6 ein Schaltbild der Vergleichsanordnung
der Fig. 5.
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Die Lenkeinrichtung der Fig. 1 weist eine Lenksäule 1 mit einem Eingangsteil
2 auf, das mit einem Lenkhandrad 3 verbunden ist, ferner mit einem Ausgangsteil
4, das mit einem nicht-veranschaulichten Lenkgetriebe verbunden ist, und dazwischen
mit einem Servo,motor 5. Dessen Anschlüsse R für Rechtslauf und L für Linkslauf
sind über zwei Leitungen 6 und 7 mit einem Steuerventil 8 verbunden. Eine Pumpe
9 fördert Druckflüssigkeit aus einem Tank 10. Die Druckseite ist mit einem Druckbegrenzungsventil
11 und einem Saugventil 12 versehen.
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Am Eingangsteil 2 ist ein Eingangsmoment-Signalgeber 13, am Ausgangsteil
4 ein Ausgangsmoment-Signalgeber 14 4 angebracht. In beiden Fällen handelt es sich
um Brückenschaltungen, die von einer Spannungsquelle 15 gespeist werden. Beispielsweise
werden die Widerstände durch auf die säulenartigen Ein- bzw. Ausgangsteile aufgeklebte
Dehnungsmeßstreifen gebildet. Das Signal Ve des Eingangsmoment-Signalgebers 13 wird
einem Eingangsmoment-Signalverstärker 16 zugeführt, das Signal Va des Ausgangsmoment-Signalgebers
14 einem Ausgangsmoment-Signalverstärker 17. Der Signalverstärker 16 weist einen
Differenzverstärker 18 und zwei ohmsche Vorwiderstände 19 und 20 sowie einen ohmschen
Widerstand 21 im Gegenkopplungszweig auf. Parallel zum Gegenkopplungswiderstand
21 ist die Reihenschaltung von zwei gegensinnig geschalteten Zenerdioden 22 und
23 vorgesehen. Der Signalverstärker 17 weist einen Differenzverstärker 24, zwei
ohmsche Vorwiderstände 25 und 26 sowie einen ohmschen Widerstand 27 im Gegenkopplungszweig
auf. Der Verstärkungsfaktor des Signalverstärkers 16 ist mehrfach größer als derjenige
des Signalverstärkers 17. Demzufolge tritt am Ausgang des Signalverstärkers 16 ein
Signal 5e auf, das dem Lenkhandrad 3 aufgebrachten Eingangsmoment Me proportional
ist, während am Ausgang des Signalverstärkers 17 ein Signal 5a auftritt, das dm
Ausgangsmoment Ma propotional ist,
letzteres Jedoch mit einem kleineren
Proportionalitätsfaktor.
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Das in Fig. 2 veranschaulichte Steuerventil 8 hat zwei Anschlüs- 1
se R und L für die Leitungen 6 und 7, einen Anschluß P zur Verbindung mit der Pumpe
9 und zwei Anschlüssen T zur Verbindung mit dem Behälter 10. Im Gehäuse 28 ist ein
Axialschieber 29 vorgesehen, der in üblicher Weise mit Bunden und Ringnuten zur
Herstellung der entsprechenden Ventilverbindungen versehen ist. Auf einem Endzapfen
30 ist ein Permanentmagnet 31 fest angebracht.
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Er ist von einer gehäusefesten Magnetspule 32 umgeben, der als Erregerstrom
das Ausgangssignal 5e zugeführt wird. Auf dem anderen Endzapfen 33 des Axialschiebers
29 sitzt lose ein Permanentmagnet 34 innerhalb einer gehäusefesten Magnetspule 35,
die mit einem Erregerstrom entsprechend dem Ausgangssignal 5a versorgt wird. Auf
dem Zapfen 33 ist eine Verschiebung des Permanentmagneten 34 zwischen zwei Anschlägen
36 und 37 möglich? Im übrigen ist die Beweglichkeit durch zwei Gehäuseanschläge
38 und 39 beschränkt, die denselben Abstand voneinander habenrwie die Anschläge
36 und 37.
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Die Ausgangssignale 5e und 5a sind in Abhängigkeit von derRichtung
der zugehörigen Drehmomente positiv oder negativ und kön nen daher entsprechend
gerichtete Magnetkräfte F1 und F2 hervorrufen. Wird wegen eines auf die Räder ausgeübten
Moments ein Ausgangssignal 5a der Magnetspule 35 zugeführt, legt sich der Permanentmagnet
34 gegen einen der Anschläge 36, 37 und übt eine Verschiebungskraft auf den Schieber
29 aus, die diesen abhängig vom Vorzeichen des Signals in einer Richtung verschiebt,
bis der Anschlag mit dem Gehäuseanschlag 38 bzw. 39 fluchtet und der Permanentmagnet
34 gegen den betreffenden Gehäuseanschlag mit der Verschiebungskraft angedrückt
wird. Eine dieser Kraft entgegenwirkende Kraft muß vom Faher aufgebracht und durch
ein entsprechendes Ausgangssignal 5e der Magnetspule 31 zugeführt werden. Abhängig
vom Gleichgewicht dieser Kräfte kann die Lage des Schiebers geregelt werden. Hält
der Fahrer das Lenkrad fest,
wird sich das Ausgangs drehmoment
durch das System auf den Eingangsmoment-Signalgeber 13 auswirken, so daß das Eingangsmoment
und damit die Kraft F1 auf einen Wert ansteigt, der den Schieber 29 aussteuern kann,
so daß der Servomotor 5 ein dem auf die Räder ausgeübten Moment entgegengerichtetes
Moment erzeugt. Dies gilt nicht nur für eine Geradeausfahrt sondern auch für eine
Kurvenfahrt, wenn der Fahrer das Lenkhandrad 3 um einen Winkel gedreht hat.
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Im Diagramm der Fig. 3 ist über dem Eingangsmoment Ne die Kraft F1
und über dem Ausgangsmoment Ma die Kraft F2 aufgetragen. Im ersten Fall ergibt sich
eine Kennlinie Keb im zweiten Fall eine Kennlinie Ka welch letztere einen geringeren
Verstärkungsfaktor hat. Die Kennlinie Ke hat wegen der Zenerdioden 22 und 23 am
oberen und unteren Ende je einen horizontalen Abschnitt, wodurch die beiden Arbeitsrichtungen
eine maximale Kraft Fimax definiert ist. Das bedeutet, daß auch das Ausgangsmoment
Na einen Maximalwert Mamax nicht überschreiten kann, wie es strichpunktiert dargestellt
ist. Unterhalb dieser Maximalwerte ist jedem Eingangsmoment Ne ein Ausgangsmoment
Na zugeordnet, wobei die Zuordnung rein proportional ist, wie es gestrichelt in
Fig.
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3 veranschaulicht ist. Dies ergibt die in Fig. 4 veranschaulichte
Abhängigkeit der Drehmomente. Bis zum Arbeitspunkt Nei steigt das Ausgangsmoment
Ma proportional mit dem Eingangsmoment Mes wobei die Differenz zwischen beiden durch
das Motormoment Mm geliefert wird. Alsdann bleibt bis zum Punkt Me2 das Ausgangsmoment
konstant. Da das Eingangsmoment Me weiter ansteigt, wird der Motor 5 so gesteuert,
daß seine Kennlinie abfällt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 werden die Ausgangssignale 5e
und 5a einer Vergleicherschaltung 40 zugeführt, die ein Differenzsignal e abgibt,
das als Erregerstrom einer Magnetanordnung 41 in einem Steuerventil 42 zugeführt
wird. Dieses Ventil besitzt Neutralstellungsfedern 43 und 44. Das Differenzsignal
e erzeugt eine richtungsabhängige Kraft F3 mit der das Steuerventil
42
gegen die Kraft der Neutralstellungsfedern verstellt werden kann. Schematisch ist
in der Vergleicherschaltung 40 veranschaulicht, daß der Wert e immer dann den Differenzwert
Se -ist wenn das Ausgangsmoment-Ausgangssignal Sa gleichzeitig beide Ausgangssignale
das gleiche Vorzeichen aufweisen. In allen anderen Fällen ist das Signal e = 0,
so daß das Steuerventil 42 seine Neutralstellung einnimmt.
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Eine Ausführungsform der Vergleicherschaltung ist in Fig. 6 veranschaulicht.
Soweit gleiche Teile wie in Fig. 1 benutzt werden, erhalten sie das gleiche Bezugszeichen.
Die beiden Ausgangssignale 5e und 5a werden über Vorwiderstände 45 bzw. 46 einem
Differenzverstärker 47 mit einem Gegenkopplungswiderstand 48 zugeführt. Dessen Ausgangssignal
d, das der Differenz Se - 5a entspricht wird über einen Analog-Schalter 49 einem
weiteren Verstärker 50 zugeführt. Wenn der Schalter 49 gesperrt ist, wird der Eingang
des Verstärkers 50 mittels des Widerstandes 51 auf Null-Potential gehalten. Am Ausgang
52 kann das Signal e abgenommen werden.
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Dem Analog-Schalter 49 ist eine Steuerleitung 53 zugeordnet. Wenn
auf ihr eine positive Steuers3,annung ansteht, ist der Schalter 49 leitend und das
Signal e ist gleich d = 5e - Sa. Wenn die Steuerspannung dagegen 0 ist, ist der
Schalter 49 nicht-leitend, was zur Folge hat, daß e = O ist. Die Steuerspannung
wird durch zwei Vergleicher 54 und 55 festgelegt, deren Ausgang über je eine Diode
56 bzw. 57 mit der Steuerleitung 53 verbunden sind. Die Steuerleitung 53 ist über
einen Widerstand 58 mit Masse verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Vergleichers
54 und der invertierende Eingang des Vergleichers 55 sind mit den Ausgängen von
Vergleichern 59, 60, 61, 62, 63, 54 über je einen Widerstand 65, 66, 67, 68, 69,
70 verbur,den. Der invertierende Eingang des Vergleichers 54 liegt über einen Widerstand
71 an dhem Pol einer Spannungsquelle 72 mit Mittelerdung. Der nicht-invertierende
Eingang
des Vergleichers 55 liegt über einen Widerstand 73 am anderen Pol dieser Spannungsquelle.
Drei Widerstände 74, 75 und 76 bilden einen doppelten Spannungsteiler, an dessen
Abgriff 77 die invertierenden Eingänge der Vergleicher 59, 61 und 63 liegen, während
am anderen Abgriff die invertierenden Eingänge der Vergleicher 60, 62 und 64 angeschlossen
sind. Die nicht-invertierenden Eingänge der Vergleicher 59 und 60 werden mit dem
Ausgangssignal Se die nicht-invertierenden Eingänge der Vergleicher 61 und 62 nit
dem Ausgangssignal 5a und die niht-invertierenden Eingänge der Vergleicher 63 und
64 mit dem Differenzsignal d versorgt.
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Geht man davon aus, daß die Widerstände 65 bis 70 einander gleich
sind, kann man mit dem Paar Vergleicher 59 und 60 die Polarität und den Wert 0 des
Ausgangssignals Se, mit dem Paar von Vergleichern 61 und 62 die Polarität und den
0-Wert des Ausgangssignals Sa und mit dem Paar von Vergleichern 63 und 64 die Polarität
und den mit des Differenzsignals d anzeigen. Wenn nämlich beispielsweise dem Vergleicherpaar
59, 60 das Signal 5e = 0 zugeführt wird, ergibt sich am Vergleicher 59 ein negatives
und am Vergleicher 60 ein positives Ausgangssignal. Da diese Signale über die Widerstände
65 und 66 summiert werden, ist das gemeinsame, auf die Vergleicher 54, 55 wirkende
Ausgangssignal 0. Wenn dagegen das Signal Se positiv ist, sind die Ausgangssignale
beider Vergleicher 59 und 60 positiv, so daß den Vergleichern 54 und 55 ein positives
Signal zugeführt wird. Ist dagegen das Signal 5e negativ, ergibt sich aus den gleichen
Gründen ein negatives Signal für die Vergleicher 54 und 55. Ähnliches gilt für die
Vergleicherpaare 61, 62 und 63, 64.
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Damit die Bedingungen in der Vergleicherschaltung 40 erfüllt werden,
müssen die Bezugsspannungen am invertierenden Eingang des Vergleichers 54 und am
nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers 55 so gewählt werden, daß die Steuerspannung
nur positiv wird, wenn alle drei Signale Se, 5a und d die gleiche
Polarität
haben oder wenn wenigstens zwei dieser Signale die gleiche Polarität haben und das
dritte Signal 0 ist. Für alle anderen Kombinationen wird e = 0 sein.