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Verfahren zur Erzeugung einer bedarfsweise die Lenkung eines
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Kraftfahrzeugs unterstützenden Kraft und Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer
bedarfsweise die Lenkung eines Kraftfahrzeugs unterstüzenden Kraft und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei Personenkraftwagen, deren Leergewicht etwa zwischen 900 und 1100
kg liegt, muß beim Rangieren im Bereich kleiner Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb
5 km/h eine große Kraft auf das Lenkrad ausgeübt werden. Die erforderliche Kraft
ist umso größer, je kleiner die Geschwindigkeit ist. Im Stand ist die zur Betätigung
des Lenkmechanismus notwendige Kraft besonders groß. Bei mittleren und höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten
reduziert sich der Kraftaufwand auf etwa 40 bis 15 % der bei niedriger Geschwindigkeit
aufgetretenen Kraft. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Frontantrieb ergeben sich große
Unterschiede zwischen den bei verschiedenen Geschwindigkeiten zum Rangieren des
Fahrzeuges notwendigen Kräften. Während bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten
daher eine Servolenkung angebracht wäre, ist diese bei höheren Geschwindigkeiten
nicht notwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung
einer die Lenkung eines Kraftfahrzeugs unterstützenden Kraft zu entwickeln, mit
dessen Hilfe bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten und im Stand das zur Betätigung
der Lenkung auf die Lenksäule auszuübende Drehmoment wesentlich reduziert werden
kann, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von der
Lenksäule auf die nachgeschalteten Lenkelemente übertragene Kraft in beiden Drehrichtungen
der Lenksäule je auf mindestens einen Schwellenwert hin überwacht wird und daß bei
Überschreitung des Schwellenwertes mit wenigstens einem hydraulisch oder pneumatisch
arbeitenden Stellzylinder eine Kraft, die in gleicher Richtung wie die von der Lenksäule
erzeugte Kraft wirkt, auf die Lenkelemente übertragen wird.
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Bei diesem Verfahren kann über eine entsprechend groß bemessene Kraft
der Kraftaufwand zur Betätigung des Lenkrads bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten
und im Stand auf den bei mittleren Fahrzeuggeschwindigkeiten notwendigen Kraftaufwand
reduziert werden. Das Fahrzeug ist daher insbesondere beim Einparken mühelos zu
rangieren.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des im Anspruch 1 beschriebenen
Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß mindestens ein Sensor für die Höhe
der von der Lenksäule auf die nachgeschalteten Lenkelemente übertragenen Kraft sowie
für die Feststellung der Richtung der Kraft vorgesehen ist, daß ein Schwellwertdetektor
für die Größe der Kraft vorhanden ist, daß die der Lenksäule nachgeschalteten Lenkelemente
mit der Kolbenstange eines hydraulisch oder pneumatisch arbeitenden Stellzylinders
verbunden sind, der zwei Arbeitsräume
aufweist, und daß die Arbeitsräume
über in Abhängigkeit von der Richtung und der Höhe der Kraft betätigbare Ventile
wechselweise an eine Druckmittelquelle bzw. an einen Druckmittelvorratsbehälter
angeschlossen sind. Mit relativ geringem konstruktivem Aufwand läßt sich mit dieser
Vorrichtung eine Kraftübertragung, die das Rangieren des Fahrzeugs im Stand oder
bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten erleichtert.
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Vorzugsweise ist jeder Arbeitsraum des Stellzylinders mit zwei Zweiwege-Magnetventilen
verbunden, die an ihren, dem Arbeitsraum abgewandten Anschlüssen jeweils mit der
Druckmittelquelle oder mit dem Druckmittelvorratsbehälter verbunden sind. Damit
ist es möglich, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in den Arbeitsräumen vorhandenen
Drücke durch eine entsprechende Betätigung der Zweiwegeventile gleichbleibend zu
halten. Dies kann erwünscht sein, wenn eine bestimmte Auslenkung der Räder für eine
gewisse Zeit beibehalten werden soll.
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Zweckmäßigerweise ist parallel zum Stellzylinder ein Lenkungsdämpfer
zwischen den Lenkelementen und der Karosserie des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Bei
dieser Anordnung vollzieht sich der Auf- und Abbau der Kraft allmählich, so daß
eine Druckhaltephase entfallen kann.
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Vorzugsweise ist die Druckmittelquelle zugleich für die Versorgung
eines Antiblockiersystems vorgesehen. Bei einem im Fahrzeug ohnehin vorhandenen
Antiblockiersystem ist daher keine besondere Druckmittelquelle erforderlich.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß das Lenkungsgehäuse
in der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs quer zur Fahrzeuglängsachse elastisch
gelagert ist, und daß
beiderseits an den Lagerstellen je ein Mikroschalter
angeordnet ist, der bei einem vorgebbaren Abstand zwischen dem Lenkungsgehäuse und
der Fahrzeugkarosserie betätigbar ist. Mit dieser Anordnung kann auf sehr einfache
Weise die zwischen der Lenksäule und den nachgeschalteten Lenkelementen wirkende
Kraft über einen von dieser abhängigen Abstand gemessen werden. Die Ausführungsform
zeichnet sich durch einen besonders geringen konstruktiven Aufwand aus.
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Bei einer noch anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist ein die Mittenposition
des Lenkungsgehäuses zwischen den Lagerstellen der Fahrzeugkarosserie überwachender
weiterer Mikroschalter vorgesehen. Der Mikroschalter sperrt die Betätigung des Stellzylinders
bei der Geradeausstellung der Räder und dem sich unmittelbar daran anschließenden
Stellbereich der Räder, in dem nur geringe Verstellkräfte über die Lenkstange aufgebracht
werden müssen.
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Es ist vorteilhaft, Mikroschalter mit unterschiedlichen Ansprechschwellen
einzusetzen, um die zur Unterstützung aufzubringenden Kräfte den unterschiedlichen
Ansprechschwellen entsprechend anpassen zu können. Die Hilfskraft zur Verstellung
der Lenkung kann daher bei größerem Kraftbedarf größer gewählt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Zahnstangenlenkung
und
Fig. 2 ebenfalls in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Erzeugung einer bedarfsweise die Lenkung eines Kraftfahrzeugs unterstützenden
Kraft.
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Eine Zahnstangenlenkung weist zwei geteilte Spurstangen 1, 2 auf,
deren Enden je mit Achsen von Rädern 3, 4 und mit einer Zahnstange 5 verbunden sind,
die in einem Lenkungsgehäuse 6 axial verschiebbar gelagert ist. An der Zahnstange
5 greift eine Lenksäule 7 an ihrem einen Ende an. Das Lenkungsgehäuse 6 hat eine
längliche Form, z.B. mit rundem Querschnitt an den beiden Enden 8, 9. An den Enden
8, 9 ist das Lenkungsgehäuse 6 je mit einem Gummi-Metall-Element 10 an einer Wand
11 der Fahrzeugkarosserie befestigt. Die Gummi-Metall-Elemente 10 lassen eine geringe
Relativbewegung zwischen dem Lenkungsgehäuse 6 und den Wänden 11 der Fahrzeugkarosserie
insbesondere in axialer Richtung des Lenkungsgehäuses 6 zu. Die Zahnstange 5, die
Spurstangen 1, 2, sowie die mit den Spurstangen 1, 2 verbundenen, nicht näher dargestellten
Teile sind nachfolgend auch als die der Lenksäule 7 nachgeschalteten Lenkelemente
bezeichnet.
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Von der Zahnstange 5 springt ein Zapfen 12 in rechtem Winkel zur Längsachse
vor. Der Zapfen 12 ragt ebenso wie die für den Anschluß der Spurstangen 1, 2 vorgesehenen,
nicht näher bezeichneten Zapfen aus dem Lenkungsgehäuse 6 heraus. Am Zapfen 12 greift
eine Kolbenstange 13 mit ihrem einen Ende an. Das andere Ende der Kolbenstange 13
ist in einem Stellzylinder 14 mit einem Kolben 15 verbunden, der das Innere des
Stellzylinders 14 in zwei Arbeitsräume 16, 17 teilt, die wahlweise von einem Druckmittel
beaufschlagt werden können, bei dem es sich
um ein hydraulisches
oder ein pneumatisches Druckmittel handeln kann. Der Arbeitsraum 17 ist über nicht
näher bezeichnete Leitungen je mit einem Anschluß zweier Zweiwege-Magnetventile
18, 19 verbunden. Das Zweiwege-Magnetventil 18 ist an seinem anderen Anschluß mit
einer nicht näher bezeichneten Leitung verbunden, die von einer Druckmittelquelle
20 gespeist wird.
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Der zweite Anschluß des Zweiwege-Magnetventils 19 ist über eine nicht
näher bezeichnete Leitung mit einem Druckmittelvorratsbehälter 21 verbunden. Der
Arbeitsraum 16 ist je mit dem einen Anschluß zweier Zweiwege-Magnetventile 22, 23
verbunden, die jeweils in gleicher Weise wie die Zweiwege-Magnetventile 22, 23 mit
der Druckmittelquelle 20 und dem Druckmittelvorratsbehälter 21 in Verbindung stehen.
Das Zweiwege-Magnetventil 23 wird von der Druckmittelquelle 20 gespeist, während
das Zweiwege-Magnetventil 22 an den Druckmittelvorratsbehälter 21 angeschlossen
ist.
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Nahe an den Enden 8, 9 des Lenkungsgehäuses 6 ist als Sensor für die
von der Lenksäule 7 auf die Zahnstange 5 übertragenen Kräfte jeweils ein Mikroschalter
24, 25 an der Wand 11 der Fahrzeugkarosserie befestigt. Die Bestätigungselemente
26, 27 der Mikroschalter 24, 25 stehen in kurzen Abständen der jeweiligen Stirnseite
des Lenkungsgehäuses 6 oder je einem von diesem vorspringenden Stift 28, 29 gegenüber,
wenn sich das Lenkungsgehäuse 6 in seiner Mittelstelung zwischen den Wänden 11 befindet.
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Mit dem Zapfen 12 ist das eine Ende eines Lenkungsdämpfers 30 verbunden,
dessen anderes Ende an der Fahrzeugkarosserie befestigt ist. Der Lenkungsdämpfer
30 ist daher zum Stellzylinder 14 parallel geschaltet. Dem Zapfen 12 steht ein weiterer
Mikroschalter 31 gegenüber, der betätigt ist, solange sich der
der
Zapfen 12 mit dem Lenkungsgehäuse 6 in seiner Mittelstellung befindet. Der Mikroschalter
31 enthält einen Ruhekontakt 32, über den jeweils nicht näher bezeichnete Arbeitskontakte
in den Mikroschaltern 24, 25 an den einen Pol einer Spannungsquelle gelegt sind,
die nicht näher bezeichnet ist.
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Der Arbeitskontakt des Mikroschalters 24 ist mit den Spulen der Zweiwege-Magnetventile
18, 22 verbunden. An den Arbeitskontakt des Mikroschalters 25 sind die Spulen der
Zweiwege-Magnetventile 19, 23 angeschlossen. Die Zweiwege-Magnetventile 18, 22 sind
jeweils so geschaltet, daß bei Betätigung des Mikroschalters 24 die Magnetventile
18, 22 vom Sperrzustand in den durchlässigen Zustand übergehen. Die Zweiwege-Magnetventile
19, 23 gehen bei Betätigung des Mikroschalters 25 vom Sperrzustand in den durchlässigen
Zustand über.
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Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn über die
Lenksäule 7 eine Kraft auf die Zahnstange 5 ausgeübt wird, dann bewirkt diese eine
Verschiebung der Zahnstange. Durch die elastische Halterung des Lenkungsgehäuses
6 bewegt sich dieses entgegen der Zahnstangenbewegung in Richtung einer der Wände
11. Die axiale Auslenkung des Lenkungsgehäuses 6 ist ein Maß für die von der Lenksäule
7 auf die Zahnstange 5 übertragene Kraft. Wenn die Auslenkung einen voreingestellten
Stand zwischen den Stiften 28, 29 und den Betätigungselementen 26, 27 der Mikroschalter
24, 25 erreicht hat, sprechen jeweils die Mikroschalter 24, 25 an. Die voreingestellten
Abstände entsprechen daher Schwellwerten yon Kräften.
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Sobald bei einer Drehung der Lenksäule 7 nach rechts oder nach links
dieser Schwellwert der Kraft überschritten ist, wird der
Mikroschalter
25 oder 24 betätigt. Der Mikroschalter 31 geht in seine Ruhelage zurück. Über den
nunmehr geschlossenen Arbeitskontakt 32 werden, je nach Betätigung des Mikroschalters
25 oder 24, die Zweiwege-Magnetventile 19, 23 oder 18, 22 an Spannung gelegt und
dabei durchlässig gesteuert. Dies bedeutet, daß entweder der Arbeitsraum 16 oder
der Arbeitsraum 17 mit dem Druckmittel beaufschlagt wird, während der Arbeitsraum
17 bzw. 16 drucklos geschaltet wird. Durch die Beaufschlagung des Kolbens 15 mit
dem Druckmittel übt dieser durch die Kolbenstange 13 eine Kraft auf den Zapfen 12
aus. Diese Kraft unterstützt die von der Lenksäule 7 aus auf die Zahnstange einwirkende
Kraft. Da der Stellzylinder 14 mit der Karosserie verbunden ist, nimmt diese und
nicht das Lenkungsgehäuse 6 die Kraft auf, d.h. das Lenkungsgehäuse wird nur durch
die Differenz der von der Lenksäule 7 und der Kolbenstange 13 auf die Zahnstange
5 ausgeübten Kraft beaufschlagt.
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Dabei wird die axiale Auslenkung des Lenkungsgehäuses 6 wiederum vermindert.
Die vom Stellzylinder 14 ausgehende Kraft kann so groß eingestellt sein, daß die
Betätigung der jeweiligen Mikroschalter 24, 25 wieder aufgehoben wird. Dies ist
beispielsweise dann der Fall, wenn die Lenksäule 7 nicht mehr weiter gedreht wird.
In diesem Fall ist die Haltekraft ohnedies gering, so daß eine zusätzliche Kraft
nicht benötigt wird. Durch den Lenkungsdämpfer 30 wird im übrigen eine sprungartige
Veränderung der Kraft in der Zahnstange 5 bei Beendigung der vom Stellzylinder 14
ausgehenden Kraft verhindert.
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Die Vorrichtung arbeitet auch dann, wenn unter Erzeugung einer die
Lenkbewegung unterstützenden Kraft die Räder 3, 4 aus einer bereits ausgelenkten
Stellung in die Geradeausstellung zurückbewegt werden.
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Die bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung vorgesehene Druckhaltephase
ist nicht unbedingt notwendig, da durch den Lenkungsdämpfer 30 eine gleichmäßige
Krafteinwirkung hervorgerufen wird. Die Überwachung der über das nicht dargestellte
Lenkrad in der Lenksäule 7 hervorgerufenen Kraft kann auch mit anderen Sensoren
durchgeführt werden. Beispiels weise können statt Mikroschaltern 24, 25 Dehnungsmeßstreifen
od. dgl. zur Messung des Drehmoments bzw. der Kraft eingesetzt werden. Es ist günstig,
in der Schwellwertüberwachung der Kraft eine Hysterese vorzusehen, d.h. die Differenz
zwischen der von der Lenksäule und der vom Stellzylinder 14 ausgeübten Kraft führt
nicht sofort zu einer Unterbrechung der Kraftzufuhr, wenn einer der Mikroschalter
24, 25 wieder zurückgestellt wird.
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Vielfach ist es auch günstig, die Kraft auf verschiedene Schwellenwerte
hin zu überwachen. Entsprechend diesen verschiedenen Schwellenwerten werden unterschiedliche
Kräfte mit Hilfe des Stellzylinders 14 erzeugt. Die Schwellenwertüberwachung läßt
sich zweckmäßigerweise auch mit elektronischen Schaltelementen, z.B. Schwellwertdiskriminatoren,
durchführen.
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Bezugszeichenliste: 1 Spurstange 2 Spurstange 3 Rad 4 Rad 5 Zahnstange
6 Lenkungsgehäuse 7 Lenksäule 8 Ende 9 Ende 10 Gummi-Metall-Element 11 Wand 12 Zapfen
13 Kolbenstange 14 Stellzylinder 15 Kolben 16 Arbeitsraum 17 Arbeitsraum 1 8 Zweiwege-Magnetventil
1 9 Zweiwege-Magnetventil 20 Druckmittelquelle 21 Druckmittelvorratsbehälter 22
Zweiwege-Magnetventil 23 Zweiwege-Magnetventil 24 Mikroschalter, Sensor 25 Mikroschalter-Sensor
26 Betätigungselement 27 Betätigungselement 28 Stift 29 Stift 30 Lenkungsdämpfer
31 Mikroschalter 32 Ruhekontakt
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