DE3920862A1

DE3920862A1 - Hilfskraftlenkung fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3920862A1
Application number: DE3920862A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christof Klein; Manfred Dr Kahrs; Peter Drott; Wilhelm Beer; Juergen Balz; Kurt Wollsiffer
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1991-01-03
Also published as: DD300360A5; GB2233293B; JPH0332980A; FR2648776B1; FR2648776A1; IT9020341A1; GB9012244D0; IT1240896B; PL285726A1; GB2233293A; IT9020341A0; CS298990A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Lenkung ist aus der DE-OS 31 00 067 bekannt, wobei der Elektromotor zwar geschwindigkeitsabhängig mit elektrischer Leistung versorgt wird; jedoch nur im Falle einer Lenkbetätigung. Diese bekannte Servolenkung hat zwar gegenüber Servolenkungen, bei welchen die Pumpe permanent betrieben wird den Vorteil der Energieeinsparung, jedoch ist sie nicht in der Lage, bei plötzlichem Bedarf reaktionsschnell ihre volle Servoleistung abzugeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge zu schaffen, welche sich durch einen niedrigen Energieverbrauch, geringe Elektromotorerhitzung und eine extrem kurze Systemreaktionszeit auszeichnet; dabei soll sie einen einfachen Aufbau aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Elektromotor bei hohen Geschwindigkeiten, wie sie beispielsweise außerhalb von Ortschaften üblich sind, abgeschaltet. Im Geschwindigkeitsbereich, der üblicherweise im Stadtverkehr vorherrscht, wird die Pumpe im sogenannten "stand-by" Modus betrieben. Dadurch wird zum einen elektrische Energie eingespart, zum anderen wird die Hydraulikflüssigkeit nicht so stark erhitzt, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der betroffenen Teile und auf dem Gesamtwirkungsgradsystems auswirkt. Im Geschwindigkeitsbereich, der außerhalb etwa 20 km/h liegt, läuft der Elektromotor ebenfalls in "stand-by"-Modus, kann jedoch bei plötzlich auftretendem hohen Bedarf an hydraulischer Leistung diese nach einer extrem kurzen Ansprechzeit bereitgestellen, da die sich bereits drehende Pumpe innerhalb kürzester Zeit in der Lage ist, ihre volle Leistung abzugeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die hydraulische Unterstützung erst nach Überschreiten einer bestimmten Lenkmomentschwelle aktivierbar ist, wodurch das Hochfahren des Elektromotors nur bei Vorliegen eines Mindestunterstützungsbedarfs geschieht. Dies verbessert nochmals den Energiespareffekt und minimiert damit natürlich auch die Geräuschentwicklung.

Zur Leistungsversorgung des Elektromotors eignet sich beispielsweise eine Batterie mit Mittelabgriff bzw. eine Batterieeinheit die aus zwei Batterien besteht. Im mittleren Geschwindigkeitsbereich wird dann die Spannung einer Batterie abgegriffen, während im Falle hohen Leistungsbedarfs bei einer niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeit beide Batterien hintereinander geschaltet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Elektromotor zwei Erregerwicklungen aufweist, welche geschwindigkeitsabhängig ansteuerbar sind.

Soll die Hilfskraftlenkung mit einer üblichen Kraftfahrzeugbatterie und einem einstufigen Elektromotor betrieben werden, so eignet sich zur besonders verlustarmen Spannungsreduzierung eine Puls-Pausen-Ansteuerung mit entsprechendem Tastverhältnis.

Weitere vorteilhafte Merkmale sowie die Funktion der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie aus den weiteren Unteransprüchen.

Hierzu zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem über ein gefesseltes Federelement an die Lenkwelle gekoppelten Steuerventil,

Fig. 2 eine Ansteuerschaltung für den Elektromotor der Hydraulikpumpe,

Fig. 3 eine weitere Ansteuerschaltung,

Fig. 4, Fig. 6 und Fig. 7 eine Ansteuervorrichtung für den Elektromotor,

Fig. 5 ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm eines Gleichstromelektromotors,

Fig. 8 ein Strom-Zeit-Diagramm während eines Lenkvorgangs.

Fig. 1 zeigt eine Lenkungseinrichtung, bei welcher die Realtivbewegung zwischen der Lenkwelle 2 und ihrem Gehäuse 3 dazu benutzt wird, den Steuerschieber 1 des Steuerventils zu betätigen. Hierzu ist das Gehäuse 3 des Lenkgetriebes fest mit dem Fahrzeugaufbau verbunden; das Lenkgetriebe ist als Zahnstangenlenkung mit Schrägverzahnung ausgeführt. Der Abschnitt 4 der Lenkwelle 2, welcher das Antriebsritzel 5 trägt ist axial verschiebbar im Gehäuse 3 gelagert. Die axiale Verschiebbarkeit wird dadurch erreicht, daß der Außenring eines auf der Lenkwelle axial fixierten Kugellagers 6 auf einer Gleitfläche zwischen den Anschlägen 7 und 8 verschiebbar geführt ist.

Der Abschnitt 4 der Lenkwelle 1 ist gelenkig mit dem Verbindungsglied 9 verbunden, welches pfannenartig mit dem kugelförmig ausgebildeten Ende 10 des Abschnitts 4 verstemmt ist. In dem Verbindungsglied 9 ist eine Schraube 11 eingeschraubt, welche am Steuerschieber 1 anliegt und über das gefesselte Federelement 12 elastisch vorgespannt mit dem Gehäuse 3 verbunden ist. Zum Ausgleich des axialen Hubes des Abschnittes 4 der Lenkwelle ist dieser über eine Ausgleichsvorrichtung 13 mit dem Lenkrad verbunden.

Wird das Lenkrad vom Fahrer in eine Richtung gedreht, so wird diese Drehbewegung des Antriebsritzels 5 in eine Axialbewegung der Zahnstange 14 umgesetzt. Durch die Schrägverzahnung wird je nach Drehrichtung des Lenkrades eine axiale Kraftkomponente des Abschnittes 4 wirksam, welche eine Axialverschiebung dieses Abschnittes zur Folge hat bis der Außenring des Kugellagers 6 entweder am Anschlag 7 oder am Anschlag 8 anliegt. Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von der Lenkrichtung der Steuerschieber 1 beaufschlagt. Der Steuerschieber 1 regelt in an sich bekannter Weise die Druckbeaufschlagung eines nicht dargestellten Arbeitszylinders, der einen Differentialkolben aufweist und an die mechanische Lenkung gekoppelt ist. Der Steuerschieber 1 regelt die Verbindung zwischen dem Pumpenanschluß 15, der Kammer des Arbeitszylinders mit der größeren Druckbeaufschlagungsfläche - Kammeranschluß 16 - und dem drucklosen Behälter - Behälteranschluß 17.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Ansteuerschaltung für den Elektromotor der Pumpe. Die Lenkwelle 2 führt zu einem Lenkgetriebe mit angekoppeltem Hydraulikzylinder und mit integriertem Steuerventil, etwa gemäß Fig. 1. Am Steuerventil oder am Antriebsritzel ist ein Wegsensor vorgesehen, dessen Signal über die Verbindung 20 der elektronischen Steuereinrichtung 21 zugeführt wird. Als Eingangssignal für die elektronische Steuereinrichtung 21 sind außerdem die Signale des Lenkgeschwindigkeits- und/oder Lenkmomentsensors 22 und des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 23 vorgesehen, wobei letzterer durch einen elektronischen Tachometer oder durch eventuell vorhandene Radsensoren einer blockiergeschützten Bremsanlage gebildet wird. Die elektronische Steuereinrichtung 21 ist über das Zündschloß mit der Batterie verbindbar und mittels der Leitung 24 an den Elektromotor des Motor-Pumpen-Aggregates 25 angeschlossen.

Die elektronische Steuereinrichtung 21 steuert den Elektromotor in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, dem Lenkmoment und/oder der Lenkgeschwindigkeit entweder kontinuierlich veränderbar oder, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, diskret in Abhängigkeit von markanten Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellen an.

Signalisiert der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 23 eine Fahrzeuggeschwindigkeit über 65 km/h, so wird die Stromversorgung des Elektromotors unterbrochen. Da jedoch bei derartigen Geschwindigkeiten meist das Lenkmoment so gering ist, daß der vorgespannte Steuerschieber die hydrauliche Unterstütztung nicht aktiviert, ist es auch denkbar, daß das Ausschaltsignal durch den Wegsensor am Steuerschieber oder am Antriebsritzel generiert wird. Dies hätte zudem den Vorteil, daß die hydraulische Unterstützung beispielsweise bei langezogenen Autobahnkurven mit vergleichsweise geringem Radius auch bei Gechwindigkeiten über 65 km/h aktivierbar ist.

Im Geschwindigkeitsbereich zwischen 20 und 65 km/h schaltet der Motor auf den sogenannten "stand-by" Modus um. Der Motor erhöht seine Leistung, falls in diesem Geschwindigkeitsbereich die Leistung der langsam laufenden Pumpe nicht genügt. Dies wird durch den Wegsensor oder durch den Lenkgeschwindigkeitssensor festgestellt. Reißt der Fahrer beispielsweise in diesem Geschwindigkeitsbereich sehr stark das Lenkrad herum, so erhöht der Elektromotor seine Drehzahl um genügend Hydraulikflüssigkeitsvolumen bereit zu stellen. Ist in diesem Geschwindigkeitsbereich die Leistung der langsam laufenden Pumpe ausreichend, so verbleibt der Motor im "stand-by" Modus.

Unterhalb einer Geschwindigkeit unter 20 km/h bleibt der Elektromotor solange in "stand-by" Betrieb, bis ein Lenkvorgang eingeleitet wird. Stellen die Sensoren eine Lenkbewegung fest, so schaltet die elektronische Steuereinrichtung 21 sofort auf die maximale Leistung um.

Das in Fig. 5 dargestellte Drehzahl-Drehmoment-Diagramm zeigt das Hochschalten des Elektromotors vom "stand-by" Betrieb auf volle Leistung bei Betätigung der Lenkung in einem Geschwindigkeitsbereich unter 20 km/h. Wird im Geschwindigkeitsbereich zwischen 20 km/h und 65 km/h mehr hydraulische Energie benötigt, als die Pumpe im "stand-by" Betrieb liefert so wird sie auch aus dem "stand-by" Betrieb hochgefahren, jedoch nicht auf die volle Leistung sondern - wie gestrichelt angedeutet - nur auf einen Wert zwischen "stand-by" und 100%.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Motoransteuerung, welche in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges, von der Lenkgeschwindigkeit und von der Stromaufnahme des Elektromotors, abhängt. Da die Belastung der Pumpe bei Druckbeaufschlagung des Arbeitszylinders ansteigt, erhöht sich in diesem Falle auch die Stromaufnahme des Motors. Somit ist die Stromaufnahme auch ein Indikator für das Lenkmoment. Der Stromsensor kann daher die Funktion des Wegsensors am Steuerschieber oder am Antriebsritzel gemäß Fig. 2 übernehmen. Dadurch vereinfacht sich sich der Aufbau der gesamten Hilfskraftlenkung, da sich ein Stromsensor ohne Aufwand in die Steuerelektrik integrieren läßt, während ein Wegsensor neben der Montage auch eine zusätzliche elektronische Verbindung von dem mechanisch-hydraulischen Teil zur Elektrik benötigt. Die Regelung der Elektromotoransteuerung erfolgt nach er gleichen Strategie wie bei der Ausführung gemäß Fig. 2.

Eine Spannungsreduzierung in der Ansteuerelektrik des Elektromotors durch eine Puls-Pausen-Ansteuerung mit entsprechendem Taktverhältnis läßt sich auf besonders verlustarme Weise durch Verwendung eines sogenannten Power-MOS-FET als elektronischem Schalter realisieren. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Der Power-MOS-FET 27 und der Stromfühlerwiderstand 26 sind in Reihe in die Stromzuführung der Motorpumpeneinheit 25 geschaltet. Die am Stromfühlerwiderstand 26 abfallende Motorstrom proportionale Spannung wird über einen Filter 28 einem Komparator 29 zugeführt, der diese Ist-Spannung mit einer Referenzspannung vergleicht. In Abhängigkeit vom Komparator-Ausgangssignal wird der Power-MOS-FET-Schalter 27 durch eine Steuerung 30 gepulst ein/ausgeschaltet oder permanent eingeschaltet. Ist die am Stromfühlerwiderstand 26 abgefallene Spannung kleiner als die Referenzspannung, so wird der Motor 25 gepulst betrieben, ist diese Spannung größer als die Referenzspannung so wird er permanent eingeschaltet. Damit ein sicheres Arbeiten des Komparators 29 garantiert ist, weist dieser eine Hysterese auf.

Gemäß Fig. 6 wird das motorstromproportionale Spannungssignal am Stromfühlerwiderstand 26 abgegriffen und zwei Komparatoren zugeführt. Der Komparator K1 schaltet von Puls-Pausen-Ansteuerung (stand-by) auf Permantenansteuerung um, falls die Ist-Spannung größer als die Referenzspannung U_Ref1, die dem Komparator K1 zugeordnet ist, wird. Wird nach dem Lenkvorgang die Ist-Spannung kleiner als die Referenzspannung U_Ref2, welche dem Komparator K2 zugeordnet ist, so wird wieder auf "stand-by" Betrieb zurückgeschaltet. Beide Komparatoren arbeiten richtungsabhängig, da sonst ein undefinierter Zustand zwischen beiden Spannungsschwellwerten vorläge.

Fig. 8 zeigt hierzu ein Strom-Zeit-Diagramm, in welchem ein Lenkvorgang skizziert ist. Mit Beginn der Lenkung erhöht sich das benötigte Lenkmoment, wodurch der Strom ansteigt. Bei einem bestimmten Stromwert fällt eine erste Ist-Spannung am Stromfühlerwiderstand 26 ab, welche größer als die erste Referenzspannung U_Ref1 ist; der Motor wird daher mit einer stärkeren Leistung angesteuert. Fällt nach Beendigung des Lenkvorganges das Motormoment ab, so wird am Stromfühlerwiderstand 26 eine Ist-Spannung abgegriffen, welche geringer als die zweite Referenzspannung U_Ref2 ist. Der Elektromotor wird daher nur noch mit der "stand-by"-Leistung betrieben. In der Steuerung 30 gemäß Fig. 6 ist schematisch die Puls-Pausen-Ansteuerung angedeutet, welche im "stand-by"-Betrieb vorgesehen ist; darüber ist die permanente Einschaltung dargestellt.

Die Schaltungseinrichtung gemäß Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber dem oben Gesagten dadurch, daß zusätzlich über die Fahrzeuggeschwindigkeit ein variables oder in Stufen geschaltetes Puls-Pausen-Verhältnis vorgegeben werden kann. Somit kann von Motorstillstand bis zur permanenten Einschaltung jede beliebige Kennlinie eingestellt werden.

Bezugszeichenliste

1 Steuerschieber
2 Lenkwelle
3 Gehäuse
4 Abschnitt
5 Antriebsritzel
6 Kugellager
7 Anschlag
8 Anschlag
9 Verbindungsglied
10 Ende
11 Schraube
12 Federelement
13 Ausgleichsvorrichtung
14 Zahnstange
15 Pumpenanschluß
16 Kammeranschluß
17 Behälteranschluß
20 Verbindung
21 elektronische Steuereinrichtung
22 Lenkgeschwindigkeitssensor
23 Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
24 Leitung
25 Motorpumpeneinheit
26 Stromfühlerwiderstand
27 Power-MOS-FET
28 Filter
29 Komparator
30 Steuerung

Claims

1. Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge mit einer von einem Elektromotor angetriebenen Hydraulikpumpe, welche über hydraulische Leitungen mittels eines Steuerventils mit mindestens einer Arbeitskammer eines Hydraulikzylinders verbindbar ist, der zur Lenkkraftunterstützung an einer mechanischen Lenkung angekoppelt ist, wobei die dem Elektromotor zugeführte Leistung von einem fahrzeuggeschwindig keitsabhängigen Signal gesteuert wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
die elektrische Leistungsversorgung des Elektromotors ist oberhalb einer ersten Geschwindigkeitsschwelle unterbrochen;
unterhalb dieser ersten Fahrzeuggeschwindigkeits schwelle wird der Elektromotor mit reduzierter Leistung angetrieben;
unterhalb einer zweiten Fahrzeuggeschwindigkeits schwelle, die unterhalb der ersten Fahrzeugge schwindigkeitsschwelle liegt, wird dem Elektromotor die volle elektrische Leistung dann zugeführt, wenn die hydraulische Unterstützung aktiviert ist.

2. Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Unterstützung erst nach Überschreiten einer Lenkmomentschwelle aktiviert wird.

3. Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierte Leistung durch einen Batteriemittenabgriff erreicht wird.

4. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) unterschiedliche Erregerwicklungen aufweist, die geschwindigkeitsabhängig ansteuerbar sind.

5. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Elektromotors über eine Puls-Pausen-Ansteuerung erfolgt, bei welcher das Tastverhältnis und/oder die Frequenz geschwindigkeitsabhängig veränderbar ist.

6. Hilfskraftlenkung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Puls-Pausen-Ansteuerung ein Power-MOS-FET und ein Stromfühlerwiderstand im elektrischen Leistungsversorgungskreis angeordnet ist.

7. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Lenkkraft bewirkte Verschiebung eines gegenüber dem Fahrzeugkörper verschiebbar gelagerten und elastisch vorgespannten Bauteils der mechanischen Lenkung der Betätigung des Steuerventils dient.

8. Hilfskraftlenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur elastischen Vorspannung ein gefesseltes Federelement vorgesehen ist.

9. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle bei ca. 65 km/h und die zweite Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle bei ca. 20 km/h vorgesehen ist.

10. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Elektromotor zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit von einer oder mehreren der folgenden Betriebszustandsgrößen erfolgt:

a) Lenkgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung;
b) Lenkmoment;
c) Steuerventilweg oder Weg eines Bauteils der mechanischen Lenkung, welches in Abhängigkeit von der Lenkkraft verschiebbar ist;
d) Druck und/oder Druckänderung;
e) Strom und/oder Stromänderung;
f) Drehzahl und/oder Drehzahländerung.

11. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsabhängige Änderung der dem Elektromotor zugeführten Leistung kontinuierlich erfolgt.

12. Hilfskraftlenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geschwindigkeitsabhängige Änderung der dem Elektromotor zugeführten Leistung durch diskrete Leistungsveränderung in Abhängig von markanten Fahrzeuggeschwindigkeiten erfolgt.