DE3414891C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine wahlweise auf manuelles Lenken oder auf selbsttätige Querführung umschaltbare Lenkeinrich­ tung für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 27 29 766 als bekannt her­ vorgeht.

Die auf elektronische Weise bewirkte selbsttätige Querführung von Omnibussen ist beispielsweise in einer Informationsschrift des Bundesministers für Forschung und Technologie: Nahver­ kehrsforschung, 1982, Seiten 375-384, beschrieben; dazu ist in die Oberfläche von Fahrbahnen ein stromdurchflossenes Leitkabel eingelassen, dessen Verlauf einen Sollweg dar­ stellt, dem das Fahrzeug folgen soll. Um diesen stromdurch­ flossenen Leiter, wie es das Leitkabel darstellt, baut sich ein elektromagnetisches Feld auf, dessen Stärke mit zunehmen­ dem Abstand vom Leiter abnimmt. Aus der Größe des in fahr­ zeugfesten Meßspulen induzierten Stromes, kann ein abstands­ proportionales Signal gewonnen werden, aus dem die relative Querlage des Fahrzeugs zum Leitkabel errechnet werden kann.

Die Querlagensignalen entsprechenden Antennensignale der aus Meßspulen aufgebauten Antennenanordnung werden zusammen mit einer Reihe weiterer Fahrdaten, wie beispielsweise der Fahr­ geschwindigkeit, dem augenblicklichen Lenkwinkel usw. verar­ beitet, und daraus gegebenenfalls ein Steuersignal errechnet. Das Steuersignal dient dazu, gegebenenfalls den Lenkwinkelein­ schlag zu verändern, um dem vorgegebenen Sollweg folgen zu können.

Die eingangs zitierte gattungsbildende DE-OS 27 29 766 zeigt ein Servolenkgetriebe für landwirtschaftliche Fahrzeuge, bei­ spielsweise für Mähdrescher, die sowohl manuell servo­ unterstützt lenkbar sind, die jedoch andererseits auch auto­ matisch bei der Feldarbeit spurgeführt werden können. Hier­ bei kann eine Ackerfurche oder eine Schnittkante beim Abern­ ten von Getreide als Leitlinie dienen. Nach einem Hydraulik­ schema dieser Druckschrift wird das elektrische Steuersignal auf ein elektro-hydraulisches Steuersignal gegeben, dessen Verstimmung die eine Seite eines Arbeitskolbens mit dem Rück­ lauf und die andere mit der Druckversorgung verbindet. Der Arbeitskolben gehört zu einem Stellzylinder, der wenigstens mittelbar die Räder für ein entsprechendes Lenkmanöver ver­ schwenkt. Für den konventionellen, manuell gelenkten Betrieb steht eine davon völlig unabhängige Servolenkung zur Verfügung. Während der elektronisch quergeführten Fahrt ist der üblicher­ weise im Lenkgetriebegehäuse integrierte Arbeitszylinder der Servolenkung wirkungslos gesetzt, indem der Druckaufbau in den Zylinderkammern durch eine geöffnete Bypass-Verbindung ver­ hindert wird. Bei manuell gelenkter Fahrt bleibt dagegen das im Bypass befindliche Ventil geschlossen. Außer der Lenkein­ richtung für manuellen Betrieb ist also für Querführung eine weitere unabhängige Lenkeinrichtung mit selbständigem Stell­ zylinder und Steuerventil vorgesehen. Der technische Aufwand für das zusätzliche Hydrauliksystem ist also beträchtlich, ferner wird Einbauraum benötigt, um die beträchtliches Zusatz­ gewicht erbringenden hydraulischen Anlagen anbauen zu können. Nachteilig ist auch, daß bei quergeführtem Betrieb notfalls die Lenkung nicht einfach durch manuellen Eingriff des Fahrers am Lenkrad vorgenommen werden kann, sondern zuerst eine Um­ schaltung des Bypass-Ventils erfolgen muß. Bei landwirtschaft­ lichen Fahrzeugen, insbesondere bei selbstfahrenden Feldbestel­ lungsgeräten bzw. Erntemaschinen, sind solche Umschaltvor­ gänge durchaus zumutbar. Wegen der geringen maximalen Fahrge­ schwindigkeit auch auf Straßen werden im übrigen keine so hohen Sicherheitsanforderungen an die Lenkung gestellt, wie bei Straßenfahrzeugen, die mit relativ hohen Geschwindigkei­ ten verkehren. Bei landwirtschaftlichen Servolenkgetrieben hat die mit dem Lenkhandrad verbundene bzw. betätigte Lenk­ spindel keinerlei mechanische Verbindung mit dem Lenkgestänge der Fahrzeugräder. Vielmehr wird mit der Lenkspindel ledig­ lich ein Steuerventil betätigt, welches lediglich mit Schlauch­ leitungen mit dem Steuerteil für den eigentlichen Arbeitszylin­ der verbunden ist. Bei Ausfall der Servoenergie, beispielswei­ se bei Bruch einer derartigen Schlauchverbindung wird das Fahrzeug manövrierunfähig, was jedoch keine größeren Folge­ schäden nach sich zieht. In jedem Fall sind jedoch bei dem vorbekannten Servolenkgetriebe die Steuerdrücke ebenso hoch wie die eigentlichen Arbeitsdrücke am Arbeitszylinder zum Verschwenken der Fahrzeugräder. Demgegenüber sind jedoch die Betätigungskräfte für das Steuerventil von Servolenkgetrieben, wie sie für straßengängige Fahrzeuge zulässig sind, wesentlich geringer. Der an sich bekannte Gedanke einer doppelten Verwen­ dung des Arbeitszylinders des Servolenkgetriebes sowohl beim manuellen als auch beim automatischen Lenken ist also nicht ohne weiteres auf die für Straßenfahrt zulässigen Servolenk­ getriebe übertragbar. Aus diesem Grunde sind Servolenkgetrie­ be der in Rede stehenden Art für straßengängige Fahrzeuge, bei denen also eine automatische Lenkung bei höheren Fahrge­ schwindigkeiten angewendet werden soll, nur mit separaten Arbeitszylindern zum manuellen Lenken einerseits bzw. zum automatischen Lenken andererseits ausgebildet worden.

Ein ähnlich aufwendiges Hydrauliksystem in einer Lenkeinrich­ tung für Straßenfahrzeuge ist nach der US-PS 24 24 288 vor­ gesehen. Hier erfolgt die Querführung jedoch durch optische Verfolgung eines hellen durchgehenden Leitstreifens auf der Fahrbahn.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Lenkeinrichtung so abzuändern, daß sie auch für schnellfahren­ de Fahrzeuge zulässig ist, dabei aber dennoch einfach, klein und leicht ist bzw. bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch Aufstauen des Ablauf­ druckes der Endkammern des Steuerventiles wird mit einfach­ sten Mitteln eine geeignete Druckquelle mit justierbarem Druck­ niveau geschaffen, welches den mäßigen Betätigungskräften des Steuerventiles beim manuellen Lenken entspricht. Da die hier­ zu nötigen Steuerdrücke ebenfalls nur relativ gering sind, ist das elektrohydraulische Steuerventil entsprechend klein.

Vorteilhaft ist auch, daß der Hydraulikkreis auch ur­ sprünglich nur für manuelle Lenkung ausgelegter Lenk­ einrichtungen in einfacher Weise nach- bzw. umgerüstet werden kann, um auch als hydraulisches System für die elektronisch quergeführte Spurfahrt zu dienen. Ferner ist vorteilhaft, daß bei Benutzung eines bisher schon bewährten Hydrauliksystems die Sicherheit gegen Fehl­ funktion erheblich größer ist. Vorteilhaft ist weiterhin, daß in einem Notfall der Fahrer ohne weitere Maßnahmen sofort die Lenkfunktion übernehmen kann, indem er ein­ fach am Lenkrad eingreift und die am Steuerventil wir­ kende Kraft übersteuert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt, und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigt

die einzige Figur einen hydrau­ lischen Schaltplan einer Servolenkeinrichtung, zusam­ men mit Axialschnitten durch das Lenkgetriebe und das zugehörige Steuerventil, sowie mit einem schaltsym­ bolisch dargestellten elektro- hydraulischen Steuer­ ventil, das seine Steuerimpulse von einem funktions­ schematisch dargestellten Regelkreis zur elektronischen Querführung erhält.

Die Servolenkung 1 weist ein Lenkgetriebegehäuse 2 auf, das zugleich als Servozylinder 3 für einen Arbeits­ kolben 4 ausgebildet ist. Der Arbeitskolben 4 teilt zwei Arbeitskammern 5, 6 gegeneinander ab, die über Anschlüsse 7, 8 und Druckmittelleitungen 9, 10 mit ei­ nem Steuerventil 11 verbunden sind. Der Steuerschieber 13 des Steuerventils 11, das in das Lenkgetriebe­ gehäuse 2 integriert ist, und dessen Achse sich quer zur Ausdehnungsrichtung der Lenkspindel 14 erstreckt, weist eine Ringnut 12 auf, in welche das zur Lenkmutter 15 einteilige Lenklineal 16 eingreift. Die Lenkmutter 15 ist auf der Lenkschnecke 17 mittels eines Kugelumlaufs 18 schraubbeweglich gelagert. Die Lenkspindel 14 ist im Lenk­ getriebegehäuse 2 zwar drehbar jedoch axial unverschieb­ bar gehaltert. Die Lenkmutter 15 ist relativ zur Lenk­ schnecke 17 in axialer Bewegungsrichtung nur gleich­ zeitig mit dem Arbeitskolben 4, sowie einem ebenfalls auf der Lenkspindel 14 geführten Zahnstangenabschnitt 19 bewegbar. Der Zahnstangenabschnitt 19 trägt an seinem Umfang ein Zahnstangenprofil 20, das mit einem Zahnseg­ ment 21 zusammenarbeitet, welches drehfest mit dem Lenk­ stockhebel 22 verbunden ist. Der Anschluß 50 des Steuer­ ventils 11 ist ständig mit einer Druckmittelpumpe 23 verbunden, die vom Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs be­ trieben wird. Die Anschlüsse 51 und 52 des Steuerventils 11 dienen als Rücklaufbohrungen für das von der Druckmittel­ pumpe 23 bzw. von den Arbeitskammern 5, 6 des Servozy­ linders 3 herkommende Druckmittel. Die Anschlüsse 51 und 52 sind mit einer gemeinsamen Rücklaufleitung 70 ver­ bunden, die zum Rücklaufbehälter 31 führt. Über die Anschlüsse 53 und 54 des Steuerventils 11 kann über die Leitungen 9, 10 Druckmittel zu den Anschlüssen 7, 8 des Servozylinders 3 und zu den Arbeitskammern 5, 6 gelangen. Die Anschlüsse 51 und 58 führen zu den End­ kammern 24, 25 im Ventilgehäuse, in die die Stirnseiten 26, 27 des Steuerschiebers 13 hineinragen. Die Anschlüsse 57 und 58 sind über Leitungen 71 und 72 sowie 73 un­ ter Zwischenschaltung zweier Konstantdrosseln 28 und 29 untereinander verbunden. Die Leitung 73 weist ferner im Bereich zwischen den Konstantdrosseln 28, 29 eine Verbindung zur Rücklaufleitung 70 auf. In Stromrichtung gesehen liegt hinter der Verzweigung ein Druckregulier­ ventil 30, das zur Vorspannung des Druckmittelrück­ laufstromes im davorliegenden Leitungsabschnitt dient. Es hält unabhängig vom Volumenstrom den hydraulischen Druck im entsprechenden Leitungsabschnitt der Rücklauf­ leitung 70 konstant, sofern nicht das 2/2-Wege-Ventil 32 in einer Umgehungsleitung 74 zum Druckregulierventil 30 geöffnet ist. Die Endkammern 24, 25 sind jeweils auch über Leitungen 75, 76 ohne Zwischenschaltung der Kon­ stantdrosseln 28, 29 mit einem Vorsteuerventil 34 ver­ bunden. Die Leitungen 75 und 76 sind im übrigen durch ein 4/2-Wege-Ventil 33 unterbrechbar. Vom Vorsteuer­ ventil 34, einem elektro-hydraulischen Steuerventil, führt eine Rücklaufleitung 77 direkt zum Rücklaufbe­ hälter 31.

Steuerventil 11 und Vorsteuerventil 34 werden vorzugs­ weise als drosselnde Wegeventile ausgebildet.

Sie arbeiten beispielsweise nach dem Prinzip der offenen Mitte mit jeweils vier Steuerkanten. Neben einer mittleren Neutralstellung gibt es eine unendliche An­ zahl von Zwischenschaltstellungen mit veränderlicher Drosselwirkung. Das heißt also, ja nach Bedarf werden Drosselstellen in entsprechenden Leitungen jeweils gegensinnig mehr oder weniger weit geöffnet oder ge­ schlossen und dadurch eine Drosselung bzw. Erhöhung des Volumenstroms und damit eine Regulierung der Ar­ beitsdrücke hinter den Drosselstellen gegeben. Der Steuerschieber 13 des Steuerventils 11 ist durch eine vorgespannte Zentrierfeder 37 in einer mittleren Neu­ tralstellung zentriert. Die verschiedenen Schaltstel­ lungen des elektro-hydraulischen Vorsteuerventils 34 werden durch die elektrischen Steuerimpulse des Re­ gelkreises für die elektronische Querführung erzeugt. Der elektronische Regelkreis besteht in seinen wesent­ lichen Bauelementen aus einer Antennenanordnung 100, beispielsweise Spulen, in denen ein von der augen­ blicklichen Querlage des Fahrzeugs abstandsabhängiges Feldstärkesignal erzeugt wird und an eine Regelein­ richtung 101 weitergegeben wird. Unterhalb der Fahr­ bahnoberfläche 103 ist ein stromdurchflossenes, einen Sollweg vorgebendes Leitkabel 104 verlegt, das das durch einige konzentrische Linien 105 konstanter Feld­ stärke angedeutete elektromagnetische Feld erzeugt. Das Abgriffsglied in Form eines Stiftes 110, der an einer mit dem Lenkstockhebel 22 fest verbundenen Kur­ venscheibe 111 anliegt, soll andeuten, daß kontinuierlich der augenblickliche tatsächliche Lenkwinkel gemessen wird. Die Richtung, in der Meß- und Steuersignale übergeben werden, werden durch durchgezogene Linien mit Pfeilen zwischen den ein­ zelnen Regelgliedern dargestellt. Das von der Regel­ einrichtung 101 ausgehende Steuersignal wird in einem Verstärker 106 verstärkt und in einem Vergleichsglied 107 mit dem tatsächlichen Lenkwinkel verglichen. Sind der Soll-Winkel und der Ist-Winkel unterschiedlich, so wird durch einen Elektromagneten des Vorsteuerven­ tils 34 eine entsprechende Schaltstellung herbeige­ führt.

Bei manueller Fahrt verschließt das Wege-Ventil 33 wie gezeichnet den Durchgang durch die Leitungen 75 und 76. In diesem Fall ist das Wege-Ventil 32 geöffnet. Der Steuerschieber 13 des Steuerventils 11 wird, sofern die Vorspannung der Feder 37 überwunden wird, mecha­ nisch durch Drehen am Lenkrad aus seiner Neutrallage verschoben. Wird der Steuerschieber 13 beispielsweise nach links ausgelenkt, kann über Anschluß 50 der in Neutrallage des Steuerschiebers sofort über Anschlüs­ se 51 und 52 zur Rücklaufleitung zurückfließende Druck­ mittelstrom von der Druckmittelpumpe 23 zum Anschluß 54 und von dort in die Arbeitskammer 5 fließen. Dagegen ist der Durchgangsquerschnitt vom Anschluß 50 zu Anschluß 52 verkleinert, ebenso wie der Durchgang über den Anschluß 52 zum Rückflußbehälter 31. Weiter geöffnet werden dagegen die Drosselquerschnitte im Durchgang vom Anschluß 53 zum Anschluß 51, so daß aus der Arbeitskammer 6 des Servozylinders 3 Druckmittel ungehindert zum Rücklaufbehälter 31 abfließen kann. Durch die Druckdifferenz wird der Arbeitskolben 4 nach recht verschoben, was einem Lenkeinschlag nach rechts entsprechen würde. Nachdem der gewünschte Lenkeinschlag erzielt wurde, ist ein weiterer Nachfluß von Druckmit­ tel und die Aufrechterhaltung der Druckdifferenz am Arbeitskolben 4 nicht mehr erforderlich und der Steuer­ schieber 13 kehrt wiederum in seine neutrale Mittella­ ge zurück, da an seinem gegabelten Ende über das Lenk­ lineal 16 keine Kraft mehr aufgebracht wird. Erst wenn in die umgekehrte Richtung gelenkt wird, wird der Steu­ erschieber 13, sofern Servounterstützung erforderlich ist, in die entgegengesetzte Steuerlage ausgelenkt.

Wahlweise ist es nunmehr auch möglich das Fahrzeug elektronisch gesteuert zu führen. Die Verstimmung des Steuerschiebers 13 erfolgt hierbei nicht über am Lenk­ rad aufgebrachte Momente, durch die der Steuerschie­ ber 13 durch das Lenklineal 16 verstimmt wird. Zunächst sind die Wege-Ventile 32 und 33 umzuschalten, so daß das von der Druckmittelpumpe 23 geförderte Druckmittel über das Vorsteuerventil 34 zum Rücklaufbehälter 31 zurückfließen muß. Das von der Druckmittelpumpe 23 ge­ förderte Druckmittel fließt zunächst über die Anschlüs­ se 51 und 52 in die Leitung 70, die über die Konstant­ drosseln 28 und 29 mit den zu den Endkammern 24 und 25 führenden Leitungen 71 und 72 verbunden ist. Je nach Schaltstellung des Vorsteuerventils 34 wird das Druck­ mittel in den Leitungen 75 und 76 mehr oder weniger aufgestaut, so daß sich eine Druckdifferenz in den Endkammern 24 und 25 ausbilden kann. Infolge dieser Druckdifferenz ist am Steuerschieber 13 eine Axial­ kraft wirksam, die den Steuerschieber 13 verstimmt, so daß die Arbeitskammern 5 und 6 des Servozylinders 3 mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden. Durch Regelung der Größe der Druckdifferenz am Steuer­ schieber 13 kann also der Servozylinder 3 der Servo­ lenkung 1 für den Lenkbetrieb bei selbsttätiger Querführung benutzt werden. Es ist dazu jedoch nötig mittels des Vorsteuerventils 34 den Rückfluß durch die Leitungen 75 und 76 entsprechend gegensinnig zu ver­ mindern oder zu vergrößern. Nur in einer Neutralstel­ lung kann durch beide Leitungen 75 und 76 jeweils gleich­ viel Druckmittel abfließen. In diesem Fall wird der augenblickliche Lenkeinschlag nicht verändert. Das elektro-hydraulische Vorsteuerventil 34 wandelt ein analoges elektrisches Eingangssignal in ein ähnli­ ches analoges, fluidisches Ausgangssignal um. Das elektrische Steuersignal geht aus dem Vergleichsglied 107 des elektronischen Regelkreises, und wird über unterbrochen dargestellte elektrische Leitungen den Elektromagneten des Vorsteuerventils 34 zugeführt. Die Regeleinrichtung 101 ist beispielsweise ein Mikro­ prozessor, der sämtliche erforderliche Meßwerte ver­ arbeitet und daraus ein Sollwinkelsignal ermittelt, das über den Verstärker 106 dem Vergleichsglied 107 zugeht. Weicht der Sollwinkel vom Istwinkel ab, so ergeht ein entsprechendes Steuersignal vom Vergleichs­ glied 107. In besonderen Notfällen kann es erforder­ lich sein, daß möglichst schnell auf manuelle Lenkung übergegangen wird. Dies kann einfach dadurch gesche­ hen, daß der Fahrer am Lenkrad eingreift und ein Lenk­ moment aufbringt, das so groß ist, daß die vom Lenk­ lineal 16 in den Steuerschieber 13 eingeleitete Kraft größer als die aus der Druckdifferenz an den Stirnseiten herrührende Druckkraft ist.

Claims (2)

1. Wahlweise auf manuelles Lenken oder selbsttätige Querfüh­ rung umschaltbare Lenkeinrichtung für Fahrzeuge, mit einem hydraulischen Servolenkgetriebe, mittels dessen Arbeitskol­ ben hilfskraftunterstützt ein mit dem Lenkungsgestänge ge­ koppeltes Abtriebsglied verstellbar antreibbar ist, wobei die Steuerung der Druckbeaufschlagung des Arbeitskolbens bei manuellem Lenken durch Verstellen des Steuerschiebers eines Steuerventils erfolgt, ferner mit einer bei der selbsttäti­ gen Querführung des Fahrzeugs wirksamen Querlagen-Regelein­ richtung, die nach Maßgabe der Abweichung der Ist-Querlage des Fahrzeugs von einer Soll-Querlage ein entsprechend großes elektrisches Signal erzeugt, das zur Steuerung eines elektro­ hydraulischen Steuerventils dient, das seinerseits die Druck­ beaufschlagung von im Steuerventil vorgesehenen Endkammern über jeweils gegensinnig verstellbare Drosselquerschnitte durch Abführen von Druckmittel aus den Endkammern in den Rück­ laufbehälter steuert, und die Endkammern jeweils an eine ge­ meinsame Druckmittelförderquelle angeschlossen sind, die zwi­ schen zwei symmetrisch den Endkammern zugeordneten Konstant­ drosseln liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß als Servolenkgetriebe ein Schraubgetriebe mit Zahnstange/ Zahnsegment-Abtrieb (20, 21) auf einen Lenkstockhebel (22) vorgesehen und das Steuerventil, das durch Reaktionsmomente der Getriebemutter (15) betätigt wird sowie quer zur Gewin­ despindel (14) liegt, mit offener Mitte ausgebildet ist, und
daß in einem Leitungsabschnitt der Rücklaufleitung (70) mittels eines Drucksteuerventils (30) der Druckmittelrücklauf des Steuerventils (11) aufgestaut ist und dieser Leitungsabschnitt als gemeinsame Druckmittelförderquelle dient.

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum elektrohydraulischen Steuerventil (34) führenden Leitungen (75, 76) zum manuellen Lenken mittels eines Schalt­ ventiles (33) unterbrechbar sind.