DE3723770C2 - Servolenksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Servolenksystem gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs.

Ein Servolenksystem dieser Art ist in der älteren, nachveröffentlichten DE 36 04 396 C2 beschrieben. Bei diesem bekannten Servolenksystem wird der unabhängig von der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuerte Ansteuerstrom allmählich bis auf den Wert Null herabgesetzt, nachdem der Lenkausschlag einen vorbestimmten Wert in der Nähe des maximalen Lenkausschlages überschritten hat. Zur Ermittlung des jeweiligen Lenkausschlags ist auf einem elastisch mit einer Eingangswelle verbundenen Wellenabschnitt ein den Lichtstrom zwischen Photokopplern abwechselnd unterbrechender und freigebender Zahnkranz ange­ ordnet, dessen Zähne gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die jeweiligen Lenkausschläge werden dann anhand von den Photokopplern nachgeschalteten Zählern ermittelt. Die Korrektur des Ansteuerstromes erfolgt durch eine ent­ sprechende Korrektur einer für das Lenkdrehmoment repräsentativen Größe, die zur Steuerung des Ansteuerstromes herangezogen und bei Erreichen des maximalen Lenkausschlags stets so verändert wird, daß sich ein Ansteuerstrom Null er­ gibt.

Herkömmliche elektrische Servolenksysteme enthalten gewöhnlich einen Drehmo­ ment-Fühler, der auf die Lenkbelastung anspricht, und einen Geschwindigkeits- Fühler, der auf die Fahrzeuggeschwindigkeit anspricht. Ferner ist eine elek­ tronische Steuerung vorgesehen, die einen Servomotor ansteuert. Die elektroni­ sche Steuerung ist derart ausgelegt, daß sie die von dem Drehmoment-Fühler und dem Geschwindigkeits-Fühler ermittelten Signale aufnimmt und ein Impulssignal liefert, das pulsdauermoduliert ist und verstärkt wurde. Das Impulssignal weist eine lenkbelastungsabhängige und eine geschwindigkeitsabhängige Charak­ teristik auf, so daß dann, wenn das Lenkrad betätigt wird, das jeweils be­ nötigte Maß der Kraftunterstützung erzeugt werden kann. Bei dem genannten elektrischen Servolenksystem wird der von der Fahrzeug-Batterie erhaltene Ansteuerstrom für den Servomotor durch die elektronische Steuerung gesteuert. Wenn das Fahrzeug mit relativ hoher Geschwindigkeit und geringer Lenkbelastung fährt, wird der Ansteuerstrom sehr klein gehalten. Dagegen steigt er auf einen größeren Wert an, wenn das Fahrzeug langsam fährt oder steht. Demnach treten Probleme auf, die darin bestehen, daß bei ständig in der Nähe der Enden des Zahnstangen-Hubbereiches des Servolenksystems gehaltenem Lenkeinschlag der von der elektronischen Steuerung und dem Servomotor verursachte Stromverbrauch derart ansteigt, daß die Fahrzeug-Batterie übermäßig entladen wird und zudem die Gefahr besteht, daß die Wicklungen des Servomotors überhitzt werden.

Ziel der Erfindung ist es, die zuvor genannten Probleme zu beseitigen und ein Servolenksystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Stromver­ brauch auf ein wirtschaftliches Maß verringert ist und sowohl eine übermäßige Erwärmung der Wicklungen des Servomotors als auch eine übermäßige Belastung der Fahrzeug-Batterie zuverlässig ausgeschlossen sind.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Somit wird ein elektrisches Servolenksystem vorgeschlagen, das Mittel auf­ weist, um den Ansteuerstrom des Servomotors allmählich zu reduzieren, und zwar in einem Zustand, in dem die Kraftunterstützung bei einer hohen Lenkbelastung erfolgt und der Lenkeinschlag ständig in der Nähe der Enden des Zahnstangen- Hubbereiches gehalten wird. Hierbei wird der Ansteuerstrom in Abhängigkeit von einem Zahnstangenende-Signal eines Annäherungs-Fühlers reduziert.

Erfaßt der Annäherungs-Fühler die Nähe der Endstellungen des Zahnstangen- Hubbereiches bei einer sehr geringen Fahrzeug-Geschwindigkeit oder bei einem Lenken im Stand, so bewirkt die die Zeitkonstantenschaltung enthaltende Redu­ zier-Vorrichtung, daß die elektronische Steuerung eine mit einer Zeitverzöge­ rung behaftete Reduzier-Charakteristik annimmt. Überdies steuert die elektro­ nische Steuerung den Ansteuerstrom so, daß dieser bei in der Nähe der Endstel­ lungen gehaltenem Lenkeinschlag auf einem relativ geringen Niveau innerhalb eines optimalen Niveaubereichs gehalten werden kann.

Da der Ansteuerstrom so reduziert werden kann, daß er bei in der Nähe der Endstellungen des Zahnstangen-Hubbereichs gehaltenem Lenkeinschlag auf einem relativ geringen Niveau innerhalb des optimalen Niveaubereichs gehalten wird, wenn das Lenkrad bei einer sehr geringen Fahrzeuggeschwindigkeit oder gar im Stand betätigt wird, kann die Nennstromgröße für den Leistungsteil der elektronischen Steuerung und den Servomotor erfindungsgemäß auf ein derart niedriges Niveau gebracht werden, daß ein wirtschaftlicher Stromverbrauch erzielt wird und sowohl eine übermäßige Erwärmung des Servomotors als auch eine übermäßige Entladung der Fahrzeug-Batterie verhindert wird. Durch die Erfindung werden die beim Stand der Technik angetroffenen Probleme gelöst.

Da der Ansteuerstrom bei Erreichen der Nähe der Enden des Zahnstangen-Hub­ bereichs allmählich entsprechend der Charakteristik des Zeitverzögerungs­ gliedes reduziert werden kann, kann der Übergang in den Strombegrenzungszu­ stand sanft erfolgen, und es können Lenkstöße auf das Lenkrad vermieden werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Servolenksystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die den Ansteuerstrom für den Servomotor reduziert;

Fig. 2 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung darstellt; und

Fig. 3 eine Kennlinie, welche die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

In Fig. 1 ist ein Servolenksystem dargestellt, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen ist, um den Ansteuerstrom für den Servomotor 7 zu reduzieren.

Ein Lenkrad 1 ist mittels einer Lenkwelle 2 mit einem in einem Getriebegehäuse 3 befindlichen Ritzel 20 (Fig. 2) verbunden. Eine Drehbewegung des Lenkrades 1 wird von einer mit dem Ritzel 20 in Kämmeingriff befindlichen Zahnstange 25 (Fig. 2) auf eine Spurstange 4 übertagen. Des weiteren werden ein Lenkbelastungs-Signal von einem Drehmoment-Fühler 5 in Abhängigkeit von der Lenkbelastung und ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal von einem Geschwindigkeits-Fühler 6 in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt. Diese Signale werden einer elektronischen Steuerung 8 zugeführt, die den Ansteuerstrom für den Servomotor 7 steuert.

Die grundsätzliche Konstruktion einer elektronischen Steuerung 8 ist bekannt. Die elektronische Steuerung 8 ist derart ausgelegt, daß das Ausgangs-Frequenzsignal des Ge­ schwindigkeits-Fühlers 6 an einen Frequenz-Spannungs-Wandler angelegt und das umgeformte Spannungs-Signal durch einen Komparator mit einem Referenz-Signal eines Referenz-Oszil­ lators verglichen wird. Ein vom Drehmoment-Fühler 5 erhal­ tenes analoges Signal wird von einem Impulsformer umgeformt und im Komparator mit dem geschwindigkeitsabhängigen Span­ nungs-Signal kombiniert. Als Ausgangssignal wird ein puls­ dauermoduliertes, verstärktes Impuls-Signal erhalten, das eine von der Lenkbelastung und der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige Charakteristik aufweist. Mit 9 sind die Anschluß­ klemmen der im Fahrzeug eingebauten Batterie bezeichnet.

Mit dem Ausgangssignal der elektronischen Steuerung 8 wird dem Servomotor 7 ein Ansteuersignal zugeführt. Die vom Servomotor 7 erzeugte Drehbewegung erzeugt einen axialen Schub auf die Zahnstange 25, um mittels eines geeigneten Übertragungsmechanismus lenken zu können, wodurch eine Kraftunterstützung erreicht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Getriebegehäuse 3 des weiteren einen Annäherungs-Fühler 10 (s. Fig. 1) auf, um die an den beiden Enden des Zahnbereichs der Zahnstange 25 angrenzenden Stellungen zu ermitteln. Das ermittelte Signal wird zur elektronischen Steuerung 8 übertragen.

In Fig. 2 ist in einem Blockschaltbild eine Motorstrom-Absteuer-Vorrichtung dargestellt, die in der in Fig. 1 gezeigten elektronischen Steuerung 8 enthalten sein kann. Des weiteren ist in Fig. 2 schematisch ein Strukturdiagramm des Drehmoment-Fühlers 5 und des Annäherungs-Fühlers 10 dargestellt, die beide im Getriebegehäuse 3 untergebracht sind.

Innerhalb der elektronischen Steuerung 8 wird das vom Drehmoment-Fühler 5 erhaltene Ausgangssignal, das von der Drehung des über die Lenkwelle 2 mit dem Lenkrad 1 verbundenen Ritzels 20 abhängt, über einen Drehmomentsignal-Verstärker 21 zu einem Ausgangskreis 22 für den Ansteuerstrom des Servomotors übermittelt. Diesem einen Pulsdauermodulationskreis enthaltenden Ausgangskreis 22 wird des weiteren das Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal des Geschwindigkeits-Fühlers 6 übermittelt. Dadurch kann die elektronische Steuerung 8 den Servomotor 7 mit dem Ansteuerstrom speisen, der die bereits erklärte lenkbelastungsabhängige und fahrzeuggeschwindigkeitsabhängige Charakteristik aufweist.

Ein in Fig. 2 mit 23 bezeichneter Annäherungs-Fühler besteht aus einer Kombination einer relativ kleinen elektromagnetischen Spule oder eines Permanentmagneten, die jeweils zum Nachweisen eines magnetischen Teiles geeignet sind, mit einem Schaltelement (z. B. eine Kombination, bestehend aus einer integrierten Hall-Schaltung (Hall IC) und einem Leistungsrelais). Dieser Annäherungs-Fühler 23 (Fig. 2) ist in ein Halterungs-Joch 24 eingebettet, das an die Zahnstange 25 drückt. Die Zahnstange 25 weist Aussparungen 26a und 26b auf, auf die der Annäherungs-Fühler 23 anspricht. Die Aussparungen 26a und 26b befinden sich unmittelbar vor und angrenzend an den Enden des Hubbereiches der Zahnstange 25. Daher kann nach einem Betätigen des Lenkrades 1 mit dem Erreichen der Enden des Hubbereiches oder dann, wenn die Aussparungen 26a und 26b genau gegenüber dem Annäherungs-Fühler 23 liegen, ein elektrisches Melde- oder Zahnstangenende-Signal erzeugt werden.

Dieses vom Annäherungs-Fühler 23 gelieferte Zahnstangenende-Signal aktiviert einen Verarbeitungskreis 27, wie z. B. einen Schmitt-Trigger. Dessen Ausgangssignal startet eine Zeitkonstantenschaltung 28.

Ein Motorstrom-Absteuerkreis 29 ist mit den Ausgängen der Zeitkonstantenschaltung 28 und des Drehmomentsignal-Verstärkers 21 verbunden. Wenn der Drehmomentsignal-Verstärker 21 auf eine Betätigung des Lenkrades 1 hin ein Lenkbelastungs-Signal ausgibt, übermittelt der Motorstrom-Absteuerkreis 29 zum Ausgangskreis 22 ein Motorstrom-Absteuersignal, das von einem Verzögerungs-Ausgangssignal der Zeitkonstantenschaltung 28 abhängt. Dadurch werden Stromreduzierungscharakteristiken erhalten, durch die der Ansteuerstrom des Servomotors 7 zeitlich verzögert oder allmählich reduziert wird.

Fig. 3 stellt die Kennlinie des Ansteuerstromes für den Servomotor 7 als Funktion des Lenkungsausschalges dar.

Wenn z. B., wie dargestellt, eine Lenkbewegung nach rechts durchgeführt wird, wird bei einem bisher üblichen System der Ansteuerstrom derart erhöht, daß die Zahnstange 25 des Lenkhilfe-Mechanismus das Ende E des Zahnstangenberei­ ches erreicht, wobei, falls diese Lenkstellung weiter bei­ behalten wird, eine relativ hohe Lenkkraft aufrechterhalten wird, was zu einer übermäßigen Entladung der Batterie führt (siehe auch die gestrichelte Linie in Fig. 3).

Im Gegensatz dazu aktiviert bei der vorliegenden Erfindung das Zahnstangenende-Signal, das erhalten wird, wenn der Annäherungs-Fühler 10 (Fig. 1) eine Stellung der Zahnstange 25 angrenzend an einem Ende ihres Hubbereiches, oder z. B. die Stellung in der Nähe des rechten Endes des Hubbereiches am Punkt P ermittelt, den Verarbeitungskreis 27 und dann die Zeitkonstantenschaltung 28 der elektronischen Steuerung 8. Als Folge daraus reduziert der Motorstrom-Absteuerkreis 29 allmählich den Ansteuerstrom für den Servomotor 7 (siehe die Kurve PQ in Fig. 3).

Die Größe des Ausgangssignals des Motorstrom-Absteuerkrei­ ses 29 ist so vorbestimmt, daß die Kraftunterstützung nicht verlorengeht, wenn der Lenkeinschlag weiter beibehalten wird. Demgemäß wird danach der Motor-Ansteuerstrom, der zeitverzögert oder allmählich reduziert worden ist, auf einem relativ geringen,vorbestimmten Niveau gehalten (also einem Zustand reduzierter Lenkhilfe).

Claims (1)

1. Servolenksystem für Zahnstangenlenkungen, mit einem elektrischen Servomotor, einer elektronischen Steuerung zum Steuern des den Servomotor speisenden Ansteuerstroms in Abhängigkeit von einer Lenkbelastungs- und/oder Fahrzeuggeschwindigkeits-Charakteristik und Mitteln, um den Ansteuerstrom entsprechend einer vorgebbaren Charakteristik zu reduzieren, sobald der Bereich des maximalen Lenkausschlags erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Annäherungs-Fühler (10, 23) vorgesehen ist, um die Stellungen angrenzend an die Enden des Zahnstangen-Hubbereiches zu ermitteln und ein Zahnstangenende-Signal zu liefern, daß die auf das Zahnstangenende- Signal ansprechenden Mittel (27, 28, 29) zur Erzeugung der Reduzier- Charakteristik einen Verarbeitungskreis (27), eine Zeitkonstantenschaltung (28) und einen Motorstrom-Absteuerkreis (29) enthalten, durch den der An­ steuerstrom auf ein vorbestimmtes Niveau reduzierbar ist, und daß die auf den Motorstrom-Absteuerkreis (29) einwirkende Zeitkonstantenschaltung (28) dem Ansteuerstrom nach einer Aktivierung des Verarbeitungskreises (27) durch das Zahnstangenende-Signal eine Charakteristik aufprägt, die mit einer Zeitver­ zögerung behaftet ist.