DE3729156C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bypaßventilanordnung für ein Servolenksystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Bypaßventile sind in Servolenksystemen einsetzbar, wie sie beispielsweise aus der EP-PS 00 90 294 oder auch aus der EP-A 01 09 085 bekannt sind.

Aus der EP-A 01 09 085 ist bereits eine Vorrichtung zur Steuerung der Lenkkraft für ein Servo-Lenksystem bekannt geworden, die ein auf Grundlage des Lenkmomentes, das manuell auf das Lenkrad ausgeübt wird, betriebenes Servoventil, ein Servolenksystem mit einem Druckzylinder, in den unter Druck gesetztes Fluid geleitet wird, wobei die Zufuhr und der Ausstoß des Fluids durch den Betrieb des Servoventils gesteuert wird, eine Pumpe, um unter Druck gesetztes Fluid zum Servolenksystem zu fördern, eine Flußregeleinrichtung mit Solenoid, wobei die Flußregeleinrichtung entsprechend dem auf das Solenoid aufgegebenen elektrischen Strom geöffnet und geschlossen wird, um den Fluß des von der Pumpe zum Druckzylinder des Servolenksystems geförderten Druckfluids zu steuern, einen Speicher, um die typischen Muster verschiedener Steuercharakteristika zu speichern, eine Auswahleinrichtung, um ein oder mehrere der im Speicher abgespeicherten typischen Muster auszuwählen und einen Steuerkreis, um Steuerstrom entsprechend den Steuernotwendigkeiten, z. B. in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges und dem Lenkmoment des Lenkrads auf das Solenoid entsprechend einem vorherbestimmten typischen Muster aufzugeben, aufweist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem gattungsgemäßen Servolenksystem eine verbesserte Bypaßventilordnung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Bypaßventilanordnung ist es möglich, bei Ausfällen des elektrisch gesteuerten Solenoidventils, beispielsweise bei Ausfall in der elektrischen Schaltung, eine mäßige Kraftunterstüzung beim Lenkvorgang zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Bypaßventilanordnung ist insbesondere zur Verwendung an einem Zahnstangen-Ritzelgetriebesystem der in den US-PSen 45 16 471, 44 85 883, 40 63 490 und 45 61 521 beschriebenen Art geeignet.

Bei diesen Kraftfahrzeugsteuerungsgetrieben ist eine Getriebezahnstange in Richtung ihrer Achse einstellbar. Die Zahnstange ist über eine Getriebeverbindung mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden und steht im Eingriff mit einem Antriebsritzel, das über einen Torsionsstab mit einer vom Fahrer betätigten Lenksäule verbunden ist. Bei Ausüben eines Drehmoments auf die Lenksäule durch den Fahrer überträgt der Torsionsstab das Antriebsdrehmoment auf das Ritzel.

Das Ritzel ist mit einer Ventilmuffe einer Drehsteuerventilanordnung verbunden und die Lenksäule mit einem Ventilelement innerhalb der Ventilmuffe. Bei Verdrehung des Torsionsstabs wird das innere Ventilelement der Drehventilanordnung gegen die Drehventilmuffe verdreht. Diese Ventilsteuerung regelt die Druckverteilung auf die beiden unter Flüssigkeitsdruck arbeitenden Kammern eines Flüssigkeitsmotors und übt dadurch einen Flüssigkeitsdruck auf die Zahnstange zur Lenkunterstützung aus.

Die Flüssigkeitsdruckpumpe ist eine positive Verdrängerpumpe, die ein Strömungsregelventil zur Einstellung einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Der Steuerdruck wird durch Regelung der wirksamen Flüssigkeitsstromfläche über das Steuerventil geregelt, wobei die Fläche wiederum durch das Ausmaß der Torsionsstabverdrehung bestimmt ist.

Die erfindungsgemäße Bypaßventilanordnung bewirkt eine variable Unterstützung in Ergänzung der manuellen Steuerkraft, wobei die variable Unterstützung dadurch erzielt wird, daß die Größe des durch einen druckbetriebenen Motor über eine vom Fahrzeugmotor angetriebene Pumpe erzeugten Steuerdruck direkt geregelt wird, wobei die Größe des Drucks durch eine elektronische Zentralverarbeitungsanlage einheitlich geregelt wird, die auf das Lenkraddrehmoment und die Fahrzeuggeschwindigkeit anspricht, so daß ein geeigneter Steuerdruck und Unterstützungskraft für alle Fahrbedingungen erzeugt wird. Ein variabler Hilfskraftsteuergetriebemechanismus verwendet ein einfaches Drehventil, bei dem übliche Ventilelemente eingesetzt werden können, ohne das große Änderungen in der Gestalt des Ventilgehäuses und beträchtliche Kapitalinvestitionen für Werkzeugausstattungen und Einrichtungen für deren Herstellung erforderlich sind.

Das Steuersystem umfaßt ein zwischen Einlaß- und Rückführleitungen der positiven Verdrängerpumpe angeordnetes elektronisches Druckregelventil. Es umfaßt auch Eingabedrehmoment- und Fahrzeuggeschwindigkeitssensoren, die mit einer Mikroprozessoreinheit zusammenarbeiten, wobei letztere den dem Steuerungsgetriebe verfügbaren Druck regelt, indem ein geregelter Strom entsprechend einem vorgegebenen Programm in der Prozessoreinheit zum elektronischen Druckregelventil geleitet wird. Das elektronische Druckregelventil wirkt als hydraulisches Hilfssteuergetriebeventil parallel zur Steuerdrehventilanordnung, wie beispielsweise in der US-PS 45 61 521. Wann immer das elektronische Druckregelventil in Funktion tritt und Flüssigkeit durch den parallelen Strömungskreislauf ableitet, wird der Strömungs- oder Lenkdruck auf einen Druck unterhalb desjenigen bei geschlossenem Druckregelventil eingestellt.

Die Mikroprozessoreinheit kann mit einer vollständigen Fahrzeugsteuerparameterkarte programmiert werden, wodurch für alle möglichen Fahrbedingungen vorgesorgt, und für jede Fahrbedingung ein optimaler Steuerdruck verfügbar gemacht wird. Für jedes Lenkraddrehmoment und jede entsprechende Geschwindigkeit steht somit für den Zahnstangen- und Ritzelgetriebemechanismus eine optimale Steuerunterstützung zur Verfügung.

Steuerdrehmoment und Fahrzeuggeschwindigkeit werden also zur direkten Regelung des Steuerdrucks verwendet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitskreislaufs für eine Zahnstangen- und Ritzel­ steuergetriebeanordnung;

Fig. 2 ein Arbeitsdiagramm für das Steuergetriebesystem, das die Beziehung zwischen Lenkraddrehmoment und Lenkhilfe für verschiedene Geschwindigkeiten darstellt;

Fig. 3 eine Ansicht einer Bypaßanordnung eines elektronischen Drosselventils zur Verwendung im Kreislauf gemäß Fig. 4;

Fig. 3a eine graphische Darstellung der Eingangsspannungswelle für das Solenoid des Ventils der Fig. 3;

Fig. 4 eine Nebenanordnung eines alternativen elektronischen Druckregelventils zur Verwendung im Kreislauf gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine Detailansicht eines zweiten alternativen elektronischen Druckregelventils in normaler Regelposition;

Fig. 5a eine Ansicht ähnlich Fig. 5, wobei das Ventil sich in der Position bei Ausfallzustand des elektronischen Druckregelventils befindet;

Fig. 5b eine graphische Darstellung der Beziehung von Eingabedrehmoment und Zahnstangenabgabeleistung und

Fig. 6 eine dreidimensionale Darstellung einer Kontrolldatenkarte für eine Fahrzeuglenkeinrichtung, die im Mikroprozessor für das vorliegende Lenksystem abgespeichert sein kann.

Nachfolgende wird die Erfindung im einzelnen erläutert:

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine vom Fahrzeugmotor betriebene Kraftsteuerpumpe. Sie liefert konstante Strömung durch eine Auslaßöffnung 12 und wird durch eine Zuführöffnung 14 mit Flüssigkeit versorgt. Eine Steuerventilanordnung 16 besitzt einen mit der Auslaßöffnung 12 verbundenen Einlaß. Die Rückflußleitung für die Steuerventilanordnung ist die Zuführöffnung 14 der Pumpe 10.

Parallel zur Pumpe 10 ist ein elektronisch geregeltes Drosselventil 18 angeordnet. Es leitet Flüssigkeit von der Auslaßöffnung 12 zur Zuführöffnung 14, bevor diese die Steuerventilanordnung 16 erreicht. Parallel zur Pumpe 10 und dem elektronischen Drosselventil 18 ist ein Steuerdrucksensor 20 angeordnet. Der Steuerdrucksensor 20 ist mit dem Mikroprozessor oder der Zentralverarbeitungseinheit 22 verbunden, wobei elektrische Verbindungen bei 24 und 26 gezeigt sind.

Der Fahrzeugführer übt während des Lenkmanövers ein Steuerdrehmoment auf das mit der Lenksäule 30 verbundene Lenkrad 28 aus. Die Lenksäule 30 ist mit dem Antriebsritzel eines Zahnstangen- und Ritzelgetriebes zur Kraftsteuerung durch einen Torsionsstab in üblicher Weise verbunden. Die Drehmomentübertragung von der Lenksäule 30 zur Steuerventilanordnung enthält einen Verbindungsmechanismus, der U-Verbindungen 32 und 34 und einen Lenkraddrehmoment- und Winkelsensor 36 aufweisen kann. Sensor 36 gibt ein Signal ab, das auf die Zentralverarbeitungseinheit 22 über die elektrische Leitung 38 übertragen wird. Der Fahr­ zeuggeschwindigkeitssensor 40 gibt ein elektrisches Signal ab, das durch Leitung 41 auf die Zentralverarbeitungseinheit 22 geleitet wird.

Das elektronische Drosselventil kann eine über die Impulsbreite geregelte variable Öffnung sein, die durch die Zentralverarbeitungseinheit 22 geregelt ist. Der Steuerdruck wird durch die nachfolgende Gleichung bestimmt:

wobei P der Kolbendifferentialdruck des Steuergetriebes, Q die durch die Pumpe entwickelte Strömungsgeschwindigkeit und A die Summe der wirksamen Drosselflächen der Steuerventilanordnung 16 und des elektronischen Drosselventils 18 sind.

Der Steuerdrucksensor 20 ermittelt die Differenz zwischen Steuerventileinlaßdruck und Steuerventilauslaßdruck, der in etwa gleich dem Kolbendifferentialdruck des Flüssigkeitsmotors für das Steuergetriebesystem ist. Das elektronische Drosselventil ist so ausgebildet, daß es den Druck auf jeden beliebigen Wert reduziert, indem die wirksame Fläche der Steuerventilanordnung vergrößert wird.

Eine Karte oder Plan der erwünschten Beziehung zwischen Steuerdruck zu anderen Eingangsgrößen für die Zentralverarbeitungseinheit 22 wird in diese eingegeben. So können beispielsweise Steuerkräfte mit Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit unter Herabsetzung des Drucks erhöht werden. Wenn rein manuelle Lenkung erwünscht ist, kann diese einem Nullsteuerdrucksignal bei einer gewünschten Geschwindigkeit entsprechen. Bei höheren Geschwindigkeiten kann die Pumpe zur Erzielung maximaler Brennstoffwirtschaftlichkeit abgeschaltet werden.

Bei Anordnung des elektronischen Drehmomentsensors zwischen Lenkrad und U-Verbindungen 34 und 32 wird die U-Verbindungsreibung zur Abgabereibung anstelle der Eingabereibung, d. h. sie führt nicht dazu, daß das Steuerdruckregelsystem die Reibung als Eingabedrehmoment wahrnimmt. Somit behindert der zusätzliche Druck aufgrund der inneren Reibung der U-Verbindungen nicht das Rückstellen des Steuergetriebes in den Geradaus- Fahrzustand.

Eine Ausführungsform eines elektronischen Drosselventils ist detailliert in Fig. 3 gezeigt. Sie umfaßt eine Ventilmuffe 42 und einen Ventilschieber 44 mit Ventilstegen. Der Ventilschieber 44 besitzt Ventilstege 46, 48, 50 und 52, die mit entsprechenden inneren Stegen der Muffe 42 übereinstimmen. Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung 12 wird durch die Öffnung 54 zum elektronischen Drosselventil 18 geleitet und die Flüssigkeit aus dem Ventil 18 durch die Ventilöffnung 56 zur Zuführöffnung 14 rückgeführt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Ventilschieber 44 nach rechts durch die Ventilfeder 58 vorgespannt. Ein Solenoid 60 umgibt den Solenoidanker 62, der mit dem Ventilschieber 44 verbunden ist. Wenn den Wicklungen des Solenoids 60 Strom zugeführt wird, bewegt sich der Ventilschieber 44 nach links, wodurch die Verbindung zwischen den Öffnungen 54 und 56 eingeschränkt wird. Wenn der Strom in den Solenoidwicklungen abnimmt, bewegt die Feder 58 das Ventil nach rechts und öffnet die Verbindung zwischen den Öffnungen 54 und 56. Ein größeres Flüssigkeitsvolumen für jede Pumpenumdrehung wird durch das elektronische Drosselventil 18 abgeleitet, wenn der Ventilschieber 44 sich nach rechts bewegt und der Steuerdruck abnimmt. So nimmt die manuelle Lenkkraft zu.

Die Form des dem Solenoid aufgegebenen Signals ist in Fig. 3a schematisch dargestellt. Es handelt sich hier um ein impulsbreitenmoduliertes Spannungssignal. Um die links gegen die Feder 58 wirkende Kraft zu erhöhen, wird die Impulsbreite erhöht, so daß die linksgerichtete Kraft auf den Ventilschieber 44 erhöht wird.

Fig. 2 erläutert die Beziehung zwischen Lenkdrehmoment und Steuerdruck für jede beliebige Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Beziehung ist im allgemeinen parabolisch. Wenn sich die Geschwindigkeit erhöht, verringert sich die Neigung der Parabeln. Diese in Fig. 2 schematisch dargestellte Information kann in die Zentralverarbeitungseinheit 22 eingegeben werden, so daß sie ein den vom Sensor 36 bzw. Sensor 40 übertragenen Drehmoment- und Geschwindigkeitssignalen entsprechendes Signal für das elektronische Drosselventil abgibt.

In Fig. 4 ist eine weitere elektronische Drosselventilanordnung erläutert. Die Ventilmuffe 42 und der Ventilschieber 42 der Fig. 3 werden durch eine vereinfachte Ventilmuffe 64 und einen vereinfachten Ventilschieber 66 ersetzt. Der Ventilschieber 66 besitzt einen ersten Steg 68 großen Durchmessers und einen Steg 70 kleinen Durchmessers. Die Kante des Stegs 70 kann, wie bei 72 gezeigt, abgeschrägt sein.

Die Zuführöffnung des elektronischen Drosselventils ist bei 54′ gezeigt und die Rückführöffnung bei 56; die Öffnungen entsprechen jeweils den Öffnungen 54 und 56 der Ausführung gemäß Fig. 3.

Der Steg 70 regelt die Verbindung der Zuführöffnung 54′ mit der Rückführöffnung 56′. Der Druck in der Öffnung 56′ wirkt auf die Fläche großen Durchmessers des Stegs 68 und liefert einen Druck, der rechts auf das Ventilelement 66 wirkt. Die Fläche ist gleich der Fläche des rechten Endes des Ventilelements 66 minus der Fläche des Stegs 70. Die Ventilmuffe 64 weist ein geschlossenes Ende an der rechten Seite des Ventilelementes 66 auf. Diese Fläche unterliegt dem Druck in der Öffnung 72, die mit der Öffnung in der Ventilmuffe 74 des Solenoidventils 18′ in Verbindung steht.

Das Solenoidventil 18′ umfaßt eine Ventilspule 76, die äußere Stege 78 und 80 aufweist, die auf innere Stege der Ventilmuffe 74 passen. Die Rückführöffnung 56′, die gemeinsam mit der Rückführöffnung für die Regelventilmuffe 64 sein kann, paßt mit dem Steg 80 zusammen. Der Steg 78 entspricht der durch die inneren Stege der Muffe 74, die mit der Öffnung 54′ verbunden ist, definierten Ventilöffnung überein. Die Öffnung 72 ist mit einer Öffnung in der Muffe 74 zwischen den Stegen 78 und 80 verbunden.

Das rechte Ende der Spule 76 bildet einen Anker für die Wicklungen des Solenoids 80. Das Ventilelement 74 besitzt im Inneren bei 84 eine Öffnung, um den Druck von Öffnung 72 zum rechten Ende des Ventilelements 76 zu leiten. Somit wirkt der Druck in der Öffnung 72 auf das rechte Ende des Ventilelements 76.

Der Rückschlagdruck in der Öffnung 56′ wird auf das linke Ende der Ventilspule 76 durch die innere Öffnung 86 geleitet.

Die Wicklungen für das Solenoid 82 werden von der Zentralverarbeitungseinrichtung 22, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, mit Strom versorgt. Die Bypaßströmung wird durch die Regelventilspule 66 geregelt und die Ventilspule 76 wirkt nur als Pilotventil, das den Betrieb der Ventilspule 66 steuert. Das Pilotventil 76 spricht wiederum auf die Kraft des Solenoidventils 18′ an. Die für das Solenoidventil erforderlichen Kräfte sind durch Verwendung eines Pilotventils in Kombination mit dem Regelventil erheblich reduziert. Dies vereinfacht die Ausbildung des Solenoidventils, verringert dessen Kosten, während die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert wird. Eine exakte Linearität der Beziehung des Stroms in den Solenoidwicklungen zum Druckdifferential zwischen Zuführdruck in der Öffnung 54 und dem Rückführdruck in der Öffnung 56 ist nicht erforderlich.

In Fig. 5 und 5a ist eine Bypaßventilanordnung gezeigt. Diese Bypaßventilanordnung enthält einen Ventilschieber 88 mit einem Steg 90 großen Durchmessers und einem Steg 92 kleinen Durchmessers. Zusätzlich ist am Regelschieber 88 mit Abstand vom Ventilsteg 92 ein zweiter Ventilsteg 94 mit etwas geringerem Durchmesser als der Steg 92 ausgebildet. Druck aus dem Solenoidventil wird auf die rechte Seite des Regelschiebers 88 geleitet. Der Druck in der Rückführöffnung, die in Fig. 5 und 5a mit den Bezugszeichen 56′′ bezeichnet ist, entspricht der Differenz der Fläche der rechten Seite des Regelschiebers 88 und der Fläche des Ventilsteges 92.

Das Bypaßventil arbeitet so, daß falls bei Ausfall oder Versagen im Stromkreis für das Solenoidventil oder durch Offenbleiben des Leistungsschalters für das die Schaltung versorgende Steuersystem ein Ausfall auftritt, die magnetische Kraft abfällt und der Druck in der Öffnung 56′ gleich dem auf die rechte Seite des Regelschiebers 88 wirkenden Druck wird. Dieser Zustand ist in Fig. 5a gezeigt. Der Regelschieber 88 bewegt sich also nach rechts. In diesem Zustand liegt der Steg 94 auf dem inneren Steg 96 des Bypaßventils, wobei der Durchmesser des Stegs 94 etwas geringer ist als der Durchmesser des Steges 96. Es wird also eine Öffnung 89 geschaffen, die eine vorherbestimmte Strömung aus Öffnung 54″ zur Öffnung 56″ ermöglicht. Die Größe der Öffnung 98 wird so gewählt, daß sie eine mittlere Steuerdruckunterstützung erzielt, wodurch ein unerwünscht hartes Umschalten von einer Kraftunterstützungsart auf eine vollständig manuelle Lenkart vermieden wird, wenn die Regelspannung unterbrochen ist.

In Fig. 5b ist graphisch die Beziehung zwischen Eingabedrehmoment mit 2,3 cm pro kg Reibung und Zahnstangen­ abgabeleistung in kg dargestellt.

In Fig. 6 ist ein dreidimensionales Diagramm der Beziehung zwischen dem Strom aus der Zentralverarbeitungseinheit, dargestellt durch den auf der ersten X- Achse aufgetragenen elektrischen Strom, dem durch den Fahrer auf den Torsions- oder Drehstab ausgeübten Steuermoment, aufgetragen auf die Y-Achse und der Ge­ schwindigkeit in km/Std., aufgetragen auf der Z-Achse, wiedergegeben.

Fig. 6 zeigt eine Kontrolldatenkarte, die im Speicher der Zentralverarbeitungseinheit 22 einprogrammiert sein kann. Für jede beliebige Beziehung zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit wird ein optimaler Strom durch die elektrische Leitung 26 auf das elektrisch geregelte Drosselventil 18 übertragen. Die Datenpunkte in 56 definieren, wie gezeigt, eine dreidimensionale Oberfläche.

Claims (1)

1. Bypaßventilanordnung für ein Servolenksystem, die in einem Flüssigkeitsdruckkreislauf die Ein- und Auslaßseite einer Hydraulikpumpe verbindet und die aus einem als Pilotventil wirkenden, geschwindigkeitsabhängig betätigten Solenoidventil und einem Regelventil besteht, dessen Funktion durch das Solenoidventil ausgelöst wird, wobei das Regelventil einen Schieber aufweist, der eine Dosieröffnung verschließen kann, deren eine Seite mit der Auslaßseite der Pumpe und deren stromabwärts liegende Seite mit der Niederdruckseite der Pumpe in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil einen Ventilschieber (88) mit zwei Ventilstegen (92, 94) unterschiedlichen Durchmessers aufweist, wobei der eine Ventilsteg (92) die Dosieröffnung verschließen kann und die wirksame Fläche der Öffnung von den auf den Regelschieber einwirkenden Flüssigkeitsdifferentialdrücken abhängt, und der andere an dem Regelschieber (88) ausgebildete Hilfssteg (94) einen etwas geringeren Durchmesser als der erste Ventilsteg (92) aufweist, wobei dann, wenn der erste Ventilsteg (92) aus der Öffnung herausbewegt wird, sich der Hilfssteg (94) in die Dosieröffnung hineinbewegt und damit eine verringerte, den Hilfssteg umgebende Öffnung freigibt, wodurch eine mäßige Kraftunterstützung unabhängig von der Betriebsweise des Solenoidventils im Steuerkreislauf erreicht wird.