DE4031316C2 - Motorbetriebenes Servolenksystem - Google Patents
Motorbetriebenes ServolenksystemInfo
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- DE4031316C2 DE4031316C2 DE4031316A DE4031316A DE4031316C2 DE 4031316 C2 DE4031316 C2 DE 4031316C2 DE 4031316 A DE4031316 A DE 4031316A DE 4031316 A DE4031316 A DE 4031316A DE 4031316 C2 DE4031316 C2 DE 4031316C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein motorbetriebenes Servolenksystem für ein
Kraftfahrzeug.
Es ist bekannt, die Bewegungen eines Fahrzeuges durch eine oder
mehrere lenkbare Achsen zu lenken, indem der Fahrer seinen Fahrt
richtungswunsch durch die Betätigung des Lenkrades an die lenkbaren
Räder überträgt. Hierzu wird, vor allem bei schwereren Fahrzeugen,
in heute gebräuchlichen Systemen meist eine die Lenkkraft des Fah
rers unterstützende hydraulisch arbeitende Servolenkung verwendet.
Weiterhin ist die Verwendung von Elektromotoren zur Unterstützung
der Lenkkraft des Fahrers beispielsweise aus der DE 37 09 590 A1 be
kannt. Gegenüber den hydraulisch arbeitenden Systemen sind bei der
Verwendung von Elektromotoren zur Unterstützung der Lenkkraft in
einfacher Weise größere Variationsmöglichkeiten zu erreichen. So ist
es beispielsweise vorteilhaft, die Lenkunterstützung abhängig von
der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges zu wählen.
Über die Umsetzung des Lenkwunsches des Fahrers hinaus können die
Lenksysteme des Fahrzeuges auch derart beaufschlagt werden, daß eine
Erhöhung der Fahrstabilität erreicht wird. Insbesondere Wank- und
Gierbewegungen des Fahrzeuges können durch Lenkbewegungen minimiert
werden. Hierzu werden die Bewegungen des Fahrzeuges durch verschie
dene Sensoren erfaßt und die von den Sensoren aufgenommenen Infor
mationen über die Fahrzeugbewegung von einem Rechner bearbeitet. Ab
hängig von diesen Signalen werden die Lenksysteme des Fahrzeuges im
Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit betätigt.
Um die Fahrstabilität eines Fahrzeuges zu erhöhen, ist es also not
wendig, den Fahrerlenkwunsch mit den Lenkbefehlen eines die Fahr
zeugbewegungen erfassenden Rechnersystems zu kombinieren. Der Ein
schlagwinkel der lenkbaren Räder ist hierbei die Summe zweier Win
kel. Der eine Winkel wird durch den Fahrer mittels einer Betätigung
des Lenkrades bestimmt, während der andere Winkel durch das die
Fahrzeugbewegungen erfassende Rechnersystem gewählt wird.
In der DE 39 19 990 A1 wird die Unterstützung der Lenkkraft des Fah
rers durch ein hydraulisches System getätigt, daneben werden die
fahrbewegungsabhängigen Lenkbefehle durch einen Elektromotor veran
laßt. Während bei einem konventionell ausgelegten die Lenkkraft des
Fahrers unterstützenden System, wie es in der DE 37 09 590 A1 be
schrieben ist, immer ein festes Verhältnis zwischen dem Winkel des
vom Fahrer betätigten Lenkrades und dem Lenkwinkel des lenkbaren Ra
des gegeben ist, sind bei dem System, das in der DE 39 19 990 A1 be
schrieben ist, in geringem Umfang Lenkwinkeleinschläge der lenkbaren
Räder unabhängig von dem Einschlagwinkel des vom Fahrer betätigten
Lenkrades möglich.
Das in der DE 39 19 990 A1 beschriebene System hat im wesentlichen
zwei Nachteile:
- 1. Zur Erhöhung der Fahrstabilität können die lenkbaren Räder nur in sehr geringem Umfang unabhängig vom Einschlag des vom Fahrer be tätigten Lenkrades gewählt werden.
- 2. Zur Realisation dieses Lenksystems sind zwei Leistungsquellen nö tig. Zum einen ein hydraulisch arbeitendes System und zum anderen ein Elektromotor.
In der GB 1 414 206 wird ein Servolenksystem vorgestellt, bei dem
die Lenkkraft des Fahrers durch ein hydraulisches System unterstützt
wird, und bei dem die Lenkradwinkelgeschwindigkeit des vom Fahrer
betätigten Lenkrades durch eine Winkelgeschwindigkeit eines Elektro
motors überlagert wird. Der Elektromotor wird durch ein Hilfssystem
gesteuert, das Fahrzeugbewegungen wie Seitenkräfte, die durch Sei
tenwind verursacht werden, sensiert. Nachteilig bei diesem System
ist wiederum die Notwendigkeit zweier Leistungsquellen: Zum einen
das hydraulisch arbeitende, lenkkraftunterstützende System und
zum anderen der Elektromotor.
Die DE 39 30 445 A1 zeigt eine Lenkungssteuerung, bei der
eine Ist-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs gemessen und eine
Soll-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird. Ent
sprechend dem Vergleich zwischen der Ist- und Sollgierge
schwindigkeit werden die lenkbaren Räder des Fahrzeugs ange
steuert, so dass im Wesentlichen eine Übereinstimmung der
Ist-Giergeschwindigkeit mit der Soll-Giergeschwindigkeit er
reicht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optimiertes Lenksy
stem mit hoher inhärenter Sicherheit zu konzipieren.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
Gegenüber dem Stand der Technik stehen bei dem erfindungsgemäßen
Servolenksystem die Lenkwinkel der lenkbaren Räder in keinem festen
Verhältnis zu dem Einschlagwinkel des vom Fahrer betätigten Lenkra
des. Hierdurch ist eine lenkradgeschwindigkeitsabhängige Lenkhilfe
des Fahrers möglich. Daneben sind große Variationsmöglichkeiten ge
geben, die Lenksysteme mit zusätzlichen Lenksignalen zu beaufschla
gen.
Die Lenksysteme werden mit zusätzlichen Lenksignalen
beaufschlagt, um die Bewegungen des Fahrzeuges, insbesondere
die des Fahrzeugaufbaus derart zu beeinflussen, daß die Fahrsicher
heit und oder der Fahrkomfort verbessert wird.
Darüber hinaus ist eine
Unterstützung der Lenkleistung des Fahrers
vorgesehen, die vorteilhaft von Größen abhängig sein kann, die den Fahrzustand
des zu lenkenden Fahrzeuges repräsentieren.
Dabei genügt die Verwendung eines einzigen Elektromo
tors sowohl zur Lenkunterstützung des Fahrers als auch zur Beein
flussung der Fahrzeugbewegungen.
Während bei konventionellen Systemen, bei denen die Lenkkraft des
Fahrers unterstützt wird, der Fahrer bei Ausfall dieser Systeme eine
erhöhte Lenkkraft aufbringen muß, verfügt das erfindungsgemäße Ser
volenksystem über eine hohe inhärente Sicherheit derart, daß bei ei
nem Stillstand des Elektromotors vom Fahrer kein höheres Lenkmoment
aufgebracht werden muß, um das Fahrzeug zu lenken. Bei Ausfall des
Elektromotors muß lediglich der Lenkradwinkel des fahrerbetätigten
Lenkrades erhöht werden, um eine bestimmte Lenkstellung der Räder zu
erreichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Servolenkungsystem handelt es sich um ein
Geschwindigkeit unterstützendes System, während es sich bei den kon
ventionellen, die Lenkkraft des Fahrers unterstützenden Systemen um
kraftverstärkende Systeme handelt. Hierin ist ein wesentlicher Un
terschied bezüglich der Sicherheit bei Ausfall der Leistungsquellen
zu sehen. Fällt bei einem kraftunterstützenden System die Leistungs
quelle aus, so muß die Lenkkraft des Fahrers erhöht werden. Fällt
demgegenüber die Leistungsquelle eines geschwindigkeitsverstärkenden
Systems aus, so ändert sich lediglich das Verhältnis zwischen dem
Lenkwinkel des vom Fahrer betätigten Lenkrades und dem Lenkwinkel
der lenkbaren Räder.
Im folgenden soll nun kurz auf die wesentlichen Unterschiede eines
kräfteverstärkenden Systems einerseits und eines geschwindigkeits
verstärkenden Systems andererseits eingegangen werden.
Bei einem Kraft verstärkenden System ist die vom Fahrer aufgebrachte
Lenkleistung P1 mit
P1 = M1 . w1
gegeben, wobei M1 das Lenkradmoment und w1 die Lenkradwinkelge
schwindigkeit des vom Fahrer betätigten Lenkrades ist.
Die Ausgangsleistung P3 des kraftverstärkenden Systems beträgt
P3 = M3 . w3,
wobei M3 das Ausgangsdrehmoment und w3 die Ausgangswinkelgeschwin
digkeit des Systems darstellt.
Die Kraftunterstützung geschieht durch eine dem System zugeführte
Leistung P2, die mit
P2 = M2 . w2
gegeben ist. Die Winkelgeschwindigkeiten sind bei diesen Systemen
gleich.
w1 = w2 = w3.
Die Lenkmomente werden additiv überlagert.
M3 = M1 + M2,
so daß die Leistungen ebenfalls additiv sind
P3 = P1 + P2.
Bei geschwindigkeitsverstärkenden Systemen sind im einfachsten Falle
(Übersetzungsverhältnisse 1 : 1) die Drehmomente gleich
M3 = M2 = M1,
während sich die Winkelgeschwindigkeiten additiv überlagen
w3 = w1 + w2,
so daß sich für die Ausgangsleistung P3
P3 = P1 + P2
ergibt.
In beiden Fällen, im Falle eines kraftverstärkenden Systems und im
Falle eines geschwindigkeitsverstärkenden Systems, addieren sich die
vom Fahrer aufgebrachte Lenkleistung P1 und die von einer Leistungs
quelle aufgebrachte Leistung P2 additiv zur Ausgangsleistung P3.
Das erfindungsgemäße System unterstützt die Lenkleistung des Fah
rers, indem es geschwindigkeitsverstärkend arbeitet. Das heißt, daß
die vom Fahrer aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit des Lenkrades
durch die Überlagerung der Winkelgeschwindigkeit einer Leistungs
quelle, beispielsweise eines Elektromotors, erhöht wird. Zusätzlich
zu der Unterstützung der Lenkleistung des Fahrers werden durch die
selbe Leistungsquelle Lenkwinkelsignale überlagert, die zur Erhöhung
der Fahrstabilität und/oder des Fahrkomforts beitragen.
Zusammenfassend sind drei wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen
Servolenksystems zu nennen:
- 1. Steuerung oder Regelung (open- or closed-loop) der Fahrstabilität und/oder des Fahrkomforts durch Beaufschlagung der lenkbaren Rä der, die darüber hinaus durch den Fahrer beeinflußt werden.
- 2. Die Möglichkeit einer Lenkleistungsunterstützung des Fahrers.
- 3. Eine hohe inhärente Sicherheit durch eine mechanische Verbindung zwischen dem vom Fahrer betätigten Lenkrad und den lenkbaren Rä dern bei Ausfall der Leistungsquelle oder Leistungsquellen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen darge
stellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung des erfindungsgemäßen
Systems, und die Fig. 2a, b und 3 stellen Getriebe dar.
In diesem Ausführungsbeispiel soll anhand der Zeichnungen das erfin
dungsgemäße System dargestellt werden.
In der Fig. 1 sind mit Position 1 ein Lenkrad und mit der Position
2 Mittel zur Erfassung der Lenkradwinkelgeschwindigkeit bezeichnet.
Die Position 3 stellt ein Steuergerät dar, das zur Ansteuerung des
Elektromotors 4 dient. Mit der Position 5 ist ein Stellglied zum
überlagerten Lenkeingriff und mit der Position 6 die Lenksysteme des
Fahrzeuges gekennzeichnet. Die Position 7 steht für das zu lenkende
Fahrzeug. Die Position 8 markiert Mittel zur Erfassung der Fahrzeug
bewegungen.
Durch Betätigungen des Lenkrades 1 durch das vom Fahrer aufzubrin
gende Lenkradmoment M1 erhält das Lenkrad die Lenkradwinkelgeschwin
digkeit w1. Die so resultierende Lenkradleistung P1 = M1 . w1 liegt
an der ersten Eingangswelle des Stellgliedes 5 an. An der zweiten
Eingangswelle des Stellgliedes 5 liegt die Ausgangsleistung P2 des
Elektromotors 4 an, wobei P2 = M2 . w2 ist und M2 das Ausgangsmoment
und w2 die Ausgangswinkelgeschwindigkeit des Elektromotors dar
stellt. Die Ausgangswelle des Stellgliedes 5 weist die Ausgangslei
stung P3 = M3 . w3 auf, wobei M3 das Ausgangsmoment und w3 die Aus
gangswinkelgeschwindigkeit des Stellgliedes 5 ist.
Hierbei ist das Stellglied 5 so ausgelegt, daß eine additive Überla
gerung der Eingangsleistungen P1 und P2 derart stattfindet, daß
w3 = g13 . w1 + g23 . w2 (1)
ist, wobei die Größen g13 und g23 die Übersetzungsverhältnisse des
Stellgliedes 5 angeben. Bei allen Betrachtungen in diesem Ausfüh
rungsbeispiel sollen Reibungsverluste im Stellglied 5 vernachlässigt
werden. Die an den Eingangswellen anliegenden Momente M1 und M2 ge
nügen den Gleichungen
M1 = g13 . M3 und M2 = g23 . M3 (2).
Kombiniert man die Gleichungen (1) und (2), so erhält man die
gewünschte Ausgangsleistung
P3 = P1 + P2 (2a).
Das in späteren Abschnitten noch zu beschreibende Stellglied 5 über
lagert somit die Eingangswinkelgeschwindigkeiten additiv zu einer
Ausgangswinkelgeschwindigkeit, während die Momente bis auf zu wäh
lende Übersetzungsverhältnisse gleich sind. Es hat also den Charak
ter eines mechanischen Differentialgetriebes.
Fällt der Elektromotor 4 wegen eines Defektes aus, so ist w2 = 0,
woraus sich mit der Gleichung (1) ergibt
w3 = g13 . w1. (3)
Im Falle eines Defektes des Elektromotors 4 wirkt das Stellglied 5
also als normales mechanisches Getriebe.
Nach der Gleichung (2) beträgt auch im Falle eines Defektes des
Elektromotors 4 das Verhältnis zwischen dem vom Fahrer aufzubringen
den Lenkradmoment M1 und dem Ausgangsmoment M3 des Stellgliedes 5
g13 . M3 = M1. (4)
Das heißt, daß sich das vom Fahrer aufzubringende Lenkradmoment bei
einem Ausfall des Elektromotors 4 nicht verändert.
Eine Unterstützung der Lenkleistung des Fahrers P1 wird dadurch er
reicht, daß die Ausgangswinkelgeschwindigkeit w2 des Elektromotors zu
w2 = alpha . w1 (5)
gewählt wird. Der Wert alpha kann nun abhängig von Größen gewählt
werden, die den Fahrzustand präsentieren, beispielsweise abhängig
von der Fahrzeuggeschwindigkeit derart, daß alpha mit steigender
Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt. Hierdurch wird erreicht, daß bei
hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten keine oder nur eine geringe Unter
stützung der Lenkradleistung des Fahrers stattfindet, während bei
niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten wie beispielsweise bei Parkier
vorgängen die Lenkleistungsunterstützung groß ist.
Kombiniert man nun die Gleichung (5) mit der Gleichung (1), so er
hält man
w3 = (g13 + g23 . alpha) . w1. (6)
Bei der Betrachtung der Gleichung (6) wird deutlich, daß das Ver
hältnis zwischen dem vom Fahrer betätigten Lenkrad und den lenkbaren
Rädern durch die Größe alpha veränderbar ist, wobei die Über
setzungsverhältnisse gxy des Stellgliedes 5 als konstant angesehen
werden können. Die Ausgangswinkelgeschwindigkeit w3 des Stellgliedes
5 wird also im Verhältnis zur Lenkradwinkelgeschwindigkeit w1 abhän
gig von alpha größer.
Eine Kombination der Gleichungen (6) und (4) liefert das Verhältnis
der Ausgangsleistung P3 des Stellgliedes 5 zur Lenkradleistung P1,
das vom Fahrer aufgebracht wird.
M3 . w3 = ((g13 + g23 . alpha)/g13) . M1 . w1.
Ist alpha < 0, so ist die Ausgangsleistung im Stellglied 5
P3 = M3 . w3
größer als die vom Fahrer aufgebrachte Lenkradleistung
P1 = M1 . w1.
Ist alpha = 0, das heißt der Elektromotor steht still, so gilt
P3 = M3 . w3 = M1 . w1 = P1.
Im Falle, daß die Eingriffe in die Lenkung durch die Ausgangslei
stung P2 des Elektromotors 4 zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen
im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts
getätigt werden soll, wird die Ausgangswinkelgeschwindigkeit w2 des
Elektromotors 4 zu
w2 = w2'
gewählt, wobei w2' von den in den Mitteln zur Erfassung der Fahr
zeugbewegung 8 erfaßten Signale Sm abhängt. Die Abhängigkeit der
Ausgangswinkelgeschwindigkeit w2' von den Signalen Sm ist derart zu
wählen, daß die Lenksysteme 6 die mit der Ausgangswelle des Stell
gliedes 5 betriebsverbunden sind, derart beaufschlagt werden, daß
eine Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der
Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts erreicht wird.
Um nun Lenkeingriffe durch die Ausgangsleistung des Elektromotors 4
zu erreichen, die sowohl die Lenkradleistung P1 des Fahrers unter
stützen als auch eine Verbesserung der Fahrstabilität bewirken, wird
die Ausgangswinkelgeschwindigkeit des Elektromotors 4 zu
w2 = alpha . w1 + w2'
gewählt.
Die Ausgangswinkelgeschwindigkeit w3 des Stellgliedes 5 ergibt sich
somit zu
w3 = ((g13 + g23 . alpha) . w1) + g23 . w2'.
Die Momentenverteilung bleibt auch in diesem Falle die gleiche, die
die Gleichungen (2) beschreiben.
Die Steuerung der Ausgangsleistung des Elektromotors 4 wird durch
das Steuergerät 3 getätigt. Dem Steuergerät 3 werden einerseits die
Signale Sm der Mittel zur Erfassung der Fahrzeugbewegungen 8 zuge
führt und andererseits die Signale S(w1) der Mittel zur Erfassung
der Lenkradwinkelgeschwindigkeit zugeleitet.
Die Lenkradleistung P1 wird dem Stellglied 5 beispielsweise über ei
ne Universalgelenkverbindung zugeführt. Die Ausgangsleistung des
Stellgliedes 5 kann beispielsweise mit Gelenken über Spurstangen den
lenkbaren Rädern zugeführt werden.
Aus den obigen Ausführungen wird klar, daß bei einem Ausfall des
Elektromotors 4 der Fahrer zwar eine erhöhte Lenkradleistung aufzu
bringen hat, jedoch das Lenkradmoment nicht erhöht werden braucht.
Um einen gewissen Einschlagwinkel der lenkbaren Räder zu erreichen,
muß also der Fahrer im Falle eines Defektes des Elektromotors 4 die
Lenkradwinkelgeschwindigkeit erhöhen. Das Lenksystem wird in diesem
Falle vom Fahrer als relativ "langsam" empfunden.
In der Fig. 2a und b ist ein Stellglied zum überlagerten Lenkein
griff dargestellt. Die Fig. 3 stellt eine weitere mögliche Ausge
staltung eines Stellgliedes zum überlagerten Lenkeingriff dar.
In den Fig. 2a und b sind mit den Positionen 21 und 23 erste und
zweite Eingangswellen bezeichnet. Die Position 22 stellt eine Aus
gangswelle dar, während mit der Position 24 ein Schneckengetriebe
gekennzeichnet ist. Die Position 26 markiert ein Hohlrad und die
Position 27 weist Achsen von Planetenrädern aus.
In der Fig. 3 sind mit den Positionen 31 und 33 eine erste und
zweite Eingangswelle bezeichnet. Die Position 32 markiert eine Aus
gangswelle, während mit den Positionen 35 Planetenräder und mit den
Positionen 37 die Achsen der Planetenräder zu sehen sind.
Im folgenden werden zwei mögliche Ausgestaltungen des Stellgliedes 5
vorgestellt. Hierzu sind in den Fig. 2a und b zwei Schnitte durch
eine mögliche Ausgestaltungsform eines Stellgetriebes 5 dargestellt.
In der Fig. 2a und b sind ein erstes und ein zweites Planetenge
triebe zu sehen, wobei jede der beiden Planetengetriebe ein Sonnen
rad, ein Hohlrad und Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad und
dem Hohlrad positioniert sind, aufweist. Die erste Eingangswelle 21
wird mit der vom Fahrer aufgebrachten Lenkradleistung P1 beauf
schlagt. Diese erste Eingangswelle 21 stellt die Achse des Sonnen
rades des ersten Planetengetriebes dar. Durch die Lenkradleistung P1
des Fahrers werden die Planetenräder 25 des ersten Planetengetriebes
in Bewegung gesetzt, deren Achsen mit den Planetenrädern 25 eines
zweiten Planetengetriebes verbunden sind. Diese wiederum greifen an
dem Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes an, dessen Achse die
Ausgangswelle 22 ist. Über das Hohlrad 26 des ersten Planetengetriebes
greift von außen über ein Schneckengetriebe 24 die zweite Ein
gangswelle 23 an. Die zweite Eingangswelle 23 wird mit der Ausgangs
leistung P2 des Elektromotors 4 beaufschlagt.
Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist hervorzuheben, daß das
Schneckengetriebe 24 nicht reversibel von außen an dem Hohlrad 26
des ersten Planetengetriebes eingreift. Hierbei ist das Schnecken
getriebe 24 derart mechanisch gestaltet, daß die Schnecke das Hohl
rad antreiben kann, jedoch das Hohlrad keine Leistung an die
Schnecke abgibt.
Hierdurch wird gewährleistet, daß bei einem Defekt des Elektromotors
4 keine Leistung auf die zweite Eingangswelle 23 übertragen wird.
Eine weitere, noch einfachere Ausgestaltung des Stellgliedes 5 ist
in der Fig. 3 zu sehen. In diesem Falle besteht das Stellglied 5
lediglich aus einem Planetengetriebe, wobei das Planetengetriebe ein
Sonnenrad, ein Hohlrad und Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad
und dem Hohlrad positioniert sind, aufweist. Über die erste Ein
gangswelle 31 greift die Lenkradleistung P1 des Fahrers an der Achse
des Sonnenrades des Planetengetriebes an. Hierdurch werden die Pla
netenräder 35 in Bewegung gesetzt, die mit der Ausgangswelle 32 ver
bunden sind. Die zweite Eingangswelle 33 greift über ein Schnecken
getriebe, wie es in der Fig. 2b zu sehen ist, von außen in das
Hohlrad des Planetengetriebes ein. Auch in diesem Falle ist es be
sonders vorteilhaft, das Schneckengetriebe nicht reversibel auszule
gen.
Die in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Stellgliedes 5
zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus. Es ist aller
dings zu bemerken, daß in diesem Falle keine 1 : 1-Übersetzung zwi
schen der ersten Eingangswelle und der Ausgangswelle bei Stillstand
des Elektromotors 4 gegeben ist.
Demgegenüber ist bei der in den Fig. 2a und b dargestellen Aus
führungsform des Stellgliedes 5 eine 1 : 1-Übersetzung immer dann ge
geben, wenn der Elektromotor 4 zum Stillstand kommt.
Durch die Ausgestaltungen des Stellgliedes 5 ist es gewährleistet,
daß bei Defekten des Elektromotors 4 der Fahrer einen direkten
mechanischen Durchgriff auf die lenkbaren Räder besitzt.
Claims (11)
1. Motorbetriebenes Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem
einem Stellglied (5) zum überlagerten Lenkeingriff
mittels einer 1. Eingangswelle durch ein 1. Drehmoment (M1) und einer 1. Winkelgeschwindigkeit (w1) eine 1. Leistung (P1 = M1 . w1) zugeführt wird, und
mittels einer 2. Eingangswelle durch ein 2. Drehmoment (M2) und einer 2. Winkelgeschwindigkeit (w2) eine 2. Leistung (P2 = M2 . w2) zugeführt wird, und
dessen Ausgangswelle durch ein 3. Drehmoment (M3) und einer 3. Winkelgeschwindigkeit (w3) eine 3. Leistung (P3 = M3 . w3) derart aufweist, daß, abgesehen von Reibungsverlusten, P3 = P1 + P2 ist, und
die Ausgangswelle des Stellgliedes (5) mit Lenksystemen (6) des Fahrzeuges betriebsverbunden ist, und
die vom Fahrer mittels Betätigung des Lenkrades (1) durch ein Lenkradmoment (M1) und eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit (w1) auf gebrachte Lenkradleistung (P1 = M1 . w1) der 1. Eingangwelle des Stellgliedes (5) zugeführt wird,
ein Elektromotor (4), der ein Ausgangsmoment (M2), eine Ausgangs winkelgeschwindigkeit (w2) und eine Ausgangsleistung (P2 = M2 . w2) aufweist, die durch ein Steuergerät (3) steuerbar ist und die dem 2. Eingang des Stellgliedes (5) zugeführt wird,
der Lenkwunsch des Fahrers durch Lenkwinkelgeschwindigkeitssignale (S(w1)), die mittelbar oder unmittelbar die Lenkradwinkelgeschwin digkeit (w1) des vom Fahrer betätigten Lenkrades repräsentieren, erfaßt wird,
die Signale (S(w1)) dem Steuergerät (3) zugeführt werden,
dem Steuergerät (3) fahrzustandsabhängige Signale (Sm) zugeführt werden, und
die Eingriffe in die Lenkung durch eine Ausgangsleistung P2' des Elektromotors zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts zusätzlich zu einer die Lenkradleistung (P1) des Fahrers unterstützenden Ausgangsleistung P2" des Elek tromotors durch eine additive Überlagerung zu der Gesamtausgangs leistung (P2 = P2' + P2") des Elektromotors stattfinden.
einem Stellglied (5) zum überlagerten Lenkeingriff
mittels einer 1. Eingangswelle durch ein 1. Drehmoment (M1) und einer 1. Winkelgeschwindigkeit (w1) eine 1. Leistung (P1 = M1 . w1) zugeführt wird, und
mittels einer 2. Eingangswelle durch ein 2. Drehmoment (M2) und einer 2. Winkelgeschwindigkeit (w2) eine 2. Leistung (P2 = M2 . w2) zugeführt wird, und
dessen Ausgangswelle durch ein 3. Drehmoment (M3) und einer 3. Winkelgeschwindigkeit (w3) eine 3. Leistung (P3 = M3 . w3) derart aufweist, daß, abgesehen von Reibungsverlusten, P3 = P1 + P2 ist, und
die Ausgangswelle des Stellgliedes (5) mit Lenksystemen (6) des Fahrzeuges betriebsverbunden ist, und
die vom Fahrer mittels Betätigung des Lenkrades (1) durch ein Lenkradmoment (M1) und eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit (w1) auf gebrachte Lenkradleistung (P1 = M1 . w1) der 1. Eingangwelle des Stellgliedes (5) zugeführt wird,
ein Elektromotor (4), der ein Ausgangsmoment (M2), eine Ausgangs winkelgeschwindigkeit (w2) und eine Ausgangsleistung (P2 = M2 . w2) aufweist, die durch ein Steuergerät (3) steuerbar ist und die dem 2. Eingang des Stellgliedes (5) zugeführt wird,
der Lenkwunsch des Fahrers durch Lenkwinkelgeschwindigkeitssignale (S(w1)), die mittelbar oder unmittelbar die Lenkradwinkelgeschwin digkeit (w1) des vom Fahrer betätigten Lenkrades repräsentieren, erfaßt wird,
die Signale (S(w1)) dem Steuergerät (3) zugeführt werden,
dem Steuergerät (3) fahrzustandsabhängige Signale (Sm) zugeführt werden, und
die Eingriffe in die Lenkung durch eine Ausgangsleistung P2' des Elektromotors zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts zusätzlich zu einer die Lenkradleistung (P1) des Fahrers unterstützenden Ausgangsleistung P2" des Elek tromotors durch eine additive Überlagerung zu der Gesamtausgangs leistung (P2 = P2' + P2") des Elektromotors stattfinden.
2. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die vom Elektromotor
auf gebrachte Leistung (P2) abhängig von den Fahrzustand repräsen
tierenden Größen wie der Fahrzeuggeschwindigkeit sein kann.
3. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausgangsleistung
(P2) des Elektromotors derart die Lenkradleistung (P1) des Fahrers
überlagert wird, daß eine Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im
Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts
bewirkt wird, indem beispielsweise Wank- und/oder Gierbewegungen des
Fahrzeuges, die durch die Signale (Sm) erfaßt werden, minimiert wer
den.
4. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stellglied (5) die
Überlagerungen der Leistungen (P1 = M1 . w1) und (P2 = M2 . w2) an den Ein
gangswellen derart stattfinden, daß sich die jeweiligen Winkelge
schwindigkeiten (w1) und (w2) zur Ausgangswinkelgeschwindigkeit (w3)
des Stellgliedes (5) additiv überlagern
w3 = g13 . w1 + g23 . w2,
während die entsprechenden Momente (M1), (M2) und (M3) die Be ziehungen
M1 = g13 . M3 und M2 = g23 . M3
erfüllen, wobei die Faktoren gxy Übersetzungsverhältnisse des Stell gliedes (5) sind und Reibungsverluste im Stellglied (5) vernachläs sigt sind.
w3 = g13 . w1 + g23 . w2,
während die entsprechenden Momente (M1), (M2) und (M3) die Be ziehungen
M1 = g13 . M3 und M2 = g23 . M3
erfüllen, wobei die Faktoren gxy Übersetzungsverhältnisse des Stell gliedes (5) sind und Reibungsverluste im Stellglied (5) vernachläs sigt sind.
5. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einer die Lenkradleistung (P1) des Fahrers unterstützenden Auslegung des Servolenksystems die Ausgangswinkelgeschwindigkeit (w2) des Elektromotors abhängig von der Lenkradwinkelgeschwindig keit (w1) derart gewählt wird, daß die Ausgangswinkelgeschwindig keit (w3) des Stellgliedes (5)
w2 = alpha . w1
ist, wobei die Lenkradwinkelgeschwindigkeit (w1) aus den Signalen (S(w1)), die dem Steuergerät (3) zugeführt werden, ermittelt werden und alpha abhängig von den Fahrzustand repräsentierenden Größen, beispielsweise abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, sein kann, und/oder
im Falle, daß die Eingriffe in die Lenkung durch die Ausgangslei stung des Elektromotors zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts getätigt werden, die Ausgangswinkelgeschwindigkeit (w2) des Elek tromotors derart gewählt wird, daß
w2 = w2'
ist, wobei w2' von den erfaßten Signalen (Sm) abhängt, die die Bewe gungen des Fahrzeuges (7) repräsentieren, und/oder
im Falle, daß die Eingriffe in die Lenkung durch die Ausgangslei stung des Elektromotors zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts zusätzlich zu der die Lenkradleistung des Fahrers unterstützenden Auslegung des Servolenksystems getätigt werden, die Ausgangswin kelgeschwindigkeit (w2) des Elektromotors mit
w2 = alpha . w1 + w2'
gegeben ist.
bei einer die Lenkradleistung (P1) des Fahrers unterstützenden Auslegung des Servolenksystems die Ausgangswinkelgeschwindigkeit (w2) des Elektromotors abhängig von der Lenkradwinkelgeschwindig keit (w1) derart gewählt wird, daß die Ausgangswinkelgeschwindig keit (w3) des Stellgliedes (5)
w2 = alpha . w1
ist, wobei die Lenkradwinkelgeschwindigkeit (w1) aus den Signalen (S(w1)), die dem Steuergerät (3) zugeführt werden, ermittelt werden und alpha abhängig von den Fahrzustand repräsentierenden Größen, beispielsweise abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, sein kann, und/oder
im Falle, daß die Eingriffe in die Lenkung durch die Ausgangslei stung des Elektromotors zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts getätigt werden, die Ausgangswinkelgeschwindigkeit (w2) des Elek tromotors derart gewählt wird, daß
w2 = w2'
ist, wobei w2' von den erfaßten Signalen (Sm) abhängt, die die Bewe gungen des Fahrzeuges (7) repräsentieren, und/oder
im Falle, daß die Eingriffe in die Lenkung durch die Ausgangslei stung des Elektromotors zur Verbesserung der Fahrzeugbewegungen im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts zusätzlich zu der die Lenkradleistung des Fahrers unterstützenden Auslegung des Servolenksystems getätigt werden, die Ausgangswin kelgeschwindigkeit (w2) des Elektromotors mit
w2 = alpha . w1 + w2'
gegeben ist.
6. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5) wenigstens
ein Planetengetriebe aufweist.
7. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5) ein erstes
und ein zweites Planetengetriebe aufweist, wobei
jede der beiden Planetengetriebe ein Sonnenrad, ein Hohlrad und Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad positio niert sind, aufweist, und
die erste Eingangswelle (21) mit der Achse des Sonnenrades des er sten Planetengetriebes verbunden ist, und
die Ausgangswelle (22) mit der Achse des Sonnenrad des zweiten Planentengetriebes verbunden ist, und
die zweite Eingangswelle (23) über ein Schneckengetriebe (24) von außen in das Hohlrad des ersten Planetengetriebes bei festgehalte nem zweiten Hohlrad oder die zweite Eingangswelle über ein Schneckengetriebe von außen in das Hohlrad des zweiten Planetenge triebes bei festgehaltenem erstem Hohlrad eingreift, und
die Achsen (27) der Planetenräder (25) der beiden Planetengetriebe verbunden sind.
jede der beiden Planetengetriebe ein Sonnenrad, ein Hohlrad und Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad positio niert sind, aufweist, und
die erste Eingangswelle (21) mit der Achse des Sonnenrades des er sten Planetengetriebes verbunden ist, und
die Ausgangswelle (22) mit der Achse des Sonnenrad des zweiten Planentengetriebes verbunden ist, und
die zweite Eingangswelle (23) über ein Schneckengetriebe (24) von außen in das Hohlrad des ersten Planetengetriebes bei festgehalte nem zweiten Hohlrad oder die zweite Eingangswelle über ein Schneckengetriebe von außen in das Hohlrad des zweiten Planetenge triebes bei festgehaltenem erstem Hohlrad eingreift, und
die Achsen (27) der Planetenräder (25) der beiden Planetengetriebe verbunden sind.
8. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5) ein Pla
netengetriebe aufweist, wobei
das Planetengetriebe ein Sonnenrad, ein Hohlrad und Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad positioniert sind, auf weist, und
die erste Eingangswelle (31) mit der Achse des Sonnenrades des Planetengetriebes verbunden ist, und
die Ausgangswelle (32) mit den Achsen (37) der Planentenräder (35) verbunden ist, und
die zweite Eingangswelle (33) über ein Schneckengetriebe von außen in das Hohlrad des Planetengetriebes eingreift.
das Planetengetriebe ein Sonnenrad, ein Hohlrad und Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad positioniert sind, auf weist, und
die erste Eingangswelle (31) mit der Achse des Sonnenrades des Planetengetriebes verbunden ist, und
die Ausgangswelle (32) mit den Achsen (37) der Planentenräder (35) verbunden ist, und
die zweite Eingangswelle (33) über ein Schneckengetriebe von außen in das Hohlrad des Planetengetriebes eingreift.
9. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stellglied (5) die
zweite Eingangswelle von außen in das entsprechende Hohlrad mittels
eines nichtreversiblen Schneckengetriebes eingreift.
10. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erfindungsgemäße System
vorzugsweise zur Lenkung der Vorderräder eines Fahrzeuges verwendet
wird.
11. Motorbetriebenes Servolenksystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Defekten der Elektromotor
stillsteht, das heißt insbesondere die Ausgangswinkelgeschwindigkeit
(w2) des Elektromotors Null ist, was beispielsweise durch ein
selbsthemmendes Kupplungssystem erreicht werden kann.
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