DE4113742A1

DE4113742A1 - Servolenkvorrichtung fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE4113742A1
Application number: DE4113742A
Authority: DE
Inventors: Alexander Gorim
Original assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Current assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1992-08-27
Also published as: US5238079A; IL97314A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Servolenkvorrichtung für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Servolenkungen werden in vielen Fahrzeugen eingesetzt und dienen der Reduzierung der Lenkkraft, die ein Benutzer des Fahrzeuges am Lenkrad aufbringen muß, um das Fahrzeug zu lenken. Die Lenkkraft, die zum Lenken benötigt wird, hängt unter anderem von der Reibung zwischen den Fahrzeu greifen und der Straße ab. Diese wiederum hängt von Fak toren wie der Fahrzeug-Geschwindigkeit und dem Zustand der Straßenoberfläche ab.

Herkömmliche Servolenkungen werden hydraulisch betätigt, weshalb sie ein vergleichsweise komplexes System darstel len und einer periodischen Wartung bedürfen. Hydraulische Servolenkungen machen auch einen relativ großen Teil der Kosten eines Fahrzeuges, in das sie eingebaut werden, aus.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug zu schaffen, die nicht die Nachteile der herkömmlichen hydraulischen Servolenkungen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ser vovorrichtung für ein Radfahrzeug, die eine manuell betä tigte Lenkvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Übertra gung der manuellen Lenkbefehle an die Räder und eine Vor richtung, die der manuell betätigten Lenkvorrichtung eine elektrische Hilfskraft zuführt, umfaßt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die ma nuell betätigte Lenkvorrichtung eine Lenksäule, ein mit der Lenksäule verbundenes und zur manuellen Betätigung vorgesehenes Lenkrad und eine Vorrichtung zur Übertragung des Drehmomentes, das durch die Lenkkraft auf das Lenkrad und die Lenksäule ausgeübt wird, wobei die Vorrichtung, die der manuell betätigten Lenkvorrichtung eine elektri sche Hilfskraft zuführt, eine elektrische Antriebsvor richtung umfaßt, die mit der manuell betätigten Lenkvor richtung gekoppelt ist, um an die letztere wahlweise in Abhängigkeit von der auf das Lenkrad ausgeübten Lenkkraft ein Drehmoment anzulegen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elek trische Antriebsvorrichtung so angeordnet, daß sie mit der Lenksäule ablösbar gekoppelt ist und diese wahlweise in axialer Richtung drehen kann. Dadurch entstehen keine Komplikationen mit der manuellen Lenkung, wenn die elek trische Antriebsvorrichtung außer Betrieb ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die elektrische Antriebsvorrichtung zusätzlich einen Elektro motor, der mit der Lenksäule verbunden ist, eine Vorrich tung zum Betätigen des Elektromotors und ein rechnerge stütztes Steuergerät, das die Vorrichtung zum Betätigen des Elektromotors entsprechend vorbestimmten Parametern in Betrieb setzt und entsprechend der Betätigung des Lenkrades mittels einer Lenkkraft die Lenksäule mit einem Drehmoment mit festgelegtem Mindestwert beaufschlagt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er findung ist ein Verfahren zur servounterstützten Lenkung eines Radfahrzeuges vorgesehen, das die Schritte der ma nuellen Übertragung der manuellen Lenkbefehle auf die Fahrzeugräder, des Erfassens der manuellen Übertragung der manuellen Lenkbefehle und der Erzeugung von elektri schen Lenkbefehlen an die Fahrzeugräder, durch die die manuelle Lenkung der Räder unterstützt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung be sitzt das Bodenfahrzeug ebenfalls eine manuelle Lenkvor richtung, die eine Lenksäule, ein von Hand drehbares und mit der Lenksäule verbundenes Lenkrad und eine Vorrich tung zur Übertragung einer auf die manuelle Lenkvorrich tung ausgeübten Lenkkraft umfaßt. Der Erfassungsschritt umfaßt die Erfassung des Anliegens einer Drehkraft an der Lenkvorrichtung. Der Schritt der Erzeugung elektrischer Steuerbefehle umfaßt die Schritte der Berechnung eines von der nicht-manuellen Vorrichtung auf zubringenden Dreh momentes entsprechend festgelegter Parameter, der elek trischen Erzeugung eines dem berechneten Wert entspre chenden Drehmomentes und des Anlegens des erzeugten Dreh momentes auf die Lenkvorrichtung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren vor dem Berechnungsschritt zusätzlich den Schritt der Messung des an der Lenksäule anliegenden Drehmomentes und des Verhinderns des Schrittes des Anle gens des Drehmomentes, wenn das Drehmoment unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher er läutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges, das mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Ser volenkung ausgerüstet ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des elektrischen Servoantriebes von Fig. 1;

Fig. 3 ein detailliertes Blockschaltbild der elektri schen Servolenkung von Fig. 1;

Fig. 4 ein verallgemeinertes Blockschaubild zur Erläute rung der Arbeitsweise der elektrischen Servolen kung von Fig. 3; und

Fig. 5 ein weiter detailliertes Blockschaltbild der Ar beitsweise der elektrischen Servolenkung von Fig. 3.

In Fig. 1 wird ein mit 10 bezeichnetes Fahrzeug gezeigt, das mit einer mit 12 bezeichneten, gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung konstruierten, elek trischen Servolenkung ausgerüstet ist. Die Servolenkung 12 umfaßt eine elektrische Motor- und Antriebseinheit 14, die mit einer Lenksäule 16 verbunden ist. Der Betrieb der Einheit 14 wird von einer rechnergestützten Steuereinheit 18 gesteuert.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, umfaßt die Lenksäule 16 eine Lenksäulenwelle 20, an deren einem Ende ein Lenkrad 22 befestigt ist. Die Lenksäule 16 umfaßt weiterhin eine Zwischenwelle 24, an die die Welle 20 über ein oberes Kardangelenk 26 angeschlossen ist. Die Zwischenwelle 24 ist über ein unteres Kardangelenk 28 an eine Steuerstange 30 angeschlossen, die dazu dient, eine Lenkbewegung auf die Vorderräder 32 des Fahrzeuges 10 zu übertragen.

Die Motor- und Antriebseinheit 14 umfaßt einen Motor 34, üblicherweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, und einen Leistungstreiber 36 (siehe Fig. 3), der den Motor 34 entsprechend den vom Steuergerät 18 erhaltenen Signa len mit Energie versorgt. Dieser Vorgang wird weiter un ten mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 näher erläutert.

Bezugnehmend auf Fig. 2 umfaßt der Motor 34, der in die ser Ausführungsform ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, einen Rotor 38 und Statoren 40. Obwohl nicht notwen dig, besteht der Rotor 38 üblicherweise aus Samarium-Ko balt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es relativ zur Größe des Rotors ein Feld mit hohem magnetischem Fluß er zeugt.

Der Motor 34 ist üblicherweise mit einer geeigneten Befe stigung, die schematisch durch das mit dem Bezugszeichen 37 bezeichnete Mittel dargestellt ist, starr an einem Be reich des Fahrzeugrahmens 35 neben der Lenksäule 16 befe stigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Rotor 38 entweder einen Teil der Lenksäule 16 oder ist mit einem passenden Mittel, wie z. B. mit einem Walzenzap fen 39, starr daran befestigt, so daß eine axiale Rota tion des Rotors 38 eine entsprechende axiale Rotation der Lenksäule 16 um ihre Längsachse 25 hervorruft. Dement sprechend bewirkt der Betrieb des Motors die Aufbringung eines Drehmomentes auf die Lenksäule 16, so daß eine Dreh- oder Lenkkraft über das untere Kardangelenk 28 und das Steuergestell 30 auf die Räder 32 übertragen wird.

Zusätzlich zur Erzeugung einer direkten Steuerung des auf die Lenksäule wirkenden Drehmomentes und damit des Betra ges der dem Fahrzeuglenker zur Verfügung gestellten Ser vounterstützung erlaubt der obenbeschriebene Aufbau, da der Elektromotor ablösbar mit der Lenksäule gekoppelt ist, einen manuellen Lenkvorgang, falls in der Servolen kung eine Funktionsstörung auftritt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, arbeitet das Steuergerät 18 gemäß vorgegebenen Kriterien, um den Drehmomentbetrag, der auf die Lenksäule 16 wirken soll, zu bestimmen, wodurch die Größe des Drehmoments, das ein Fahrzeuglenker zum Lenken des Fahrzeuges auf das Lenkrad 22 anlegen muß, reduziert wird.

Das Steuergerät 18 umfaßt eine Computer- und Datenerfas sungseinheit 42, deren Aufgabe durch jeden geeigneten Computer erfüllt werden kann, einen Drehmomentsensor 44 wie etwa eine Meßdose, die dazu verwendet wird, den Dreh momentbetrag, mit dem die Lenksäule 16 beaufschlagt wird, zu bestimmen, und eine Mehrzahl anderer Geräte zur Mes sung verschiedener festgelegter Betriebswerte des Fahr zeugs, die für den Drehmomentbetrag, mit dem die Lenk säule 16 über den Motor 34 beaufschlagt werden soll, nützlich sind. Diese Meßgeräte umfassen üblicherweise einen Geschwindigkeitsmesser 46, der z. B. ein herkömmli cher Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser, wie er in Fahrzeugen üblicherweise verwendet wird, sein kann.

Wie durch den Block 48 angedeutet, können Überwachungsge räte vorgesehen werden, die den Strom und die Temperatur des Motors 34 messen. Es können unter anderem auch Geräte vorgesehen werden, die den Zustand der Straßenoberfläche, die Luftfeuchtigkeit, den Reifendruck oder dergleichen messen.

Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen elek trischen Servolenkung in Diagrammform. In dem vorliegen den Blockdiagramm umfaßt die Computer- und Datenerfas sungseinheit 42 einen Drehmomenterzeugungs-Computer 43, einen Summierer 50 und ein Integrierglied-Filter 52, des sen spezielle Funktion weiter unten beschrieben wird.

Wenn ein Fahrzeug, das mit einer erfindungsgegemäßen Ser volenkung ausgestattet ist, gelenkt wird, dreht der Fahr zeuglenker das Lenkrad in eine gewählte Richtung, wobei er die Lenksäule 16 mit einem Drehmoment beaufschlagt. Der Drehmomentsensor 44 mißt das Drehmoment, mit dem die Lenksäule beaufschlagt wird, und liefert den Meßwert als Eingabe sowohl an den Computer 43 als auch an den Summie rer 50. Der Computer 43 ist auch dafür ausgelegt, Daten von vorgegebenen Parametern zu empfangen. Diese Parameter enthalten z. B. die Fahrzeuggeschwindigkeit, die vom Ge schwindigkeitsmesser 46 gemessen wird.

Entsprechend vorprogrammierter Kriterien berechnet der Computer 43 den Drehmomentbetrag, mit dem die Lenksäule 16 durch den Motor 34 beaufschlagt werden soll, und lie fert diesen als Ausgangssignal oder "Drehmomentbefehl" über den Summierer 50 und das Integrierglied-Filter 52 an den Leistungstreiber 36.

Der Summierer 50 berechnet die Differenz zwischen dem be rechneten Drehmoment und dem tatsächlichen Drehmoment. Das Ergebnis wird in der Form eines elektrischen Signals über das Integrierglied-Filter 52 an den Leistungstreiber 36 geliefert. Der Leistungstreiber 36 arbeitet so, daß der Motor 34 entsprechend dem elektrischen Signal ange trieben wird, um dem Fahrzeuglenker den nötigen Betrag an Drehmomentkompensation oder -unterstützung zur Verfügung zu stellen. Es wird festgestellt, daß der Summierer 50 Teil eines geschlossenen Berechnungsregelkreises ist, der eine kontinuierliche Aktualisierung der Kompensation oder Unterstützung, die dem Fahrzeuglenker von der Servolen kung zur Verfügung gestellt wird, ermöglicht. Die Aufgabe des Integrierglied-Filters 52 besteht darin, die Abwei chung zwischen dem erforderlichen (Befehls-) Drehmoment und dem erzeugten Drehmoment zu verringern und das System im Regelkreis-Betrieb zu stabilisieren.

Fig. 5 zeigt ein genaueres Blockdiagramm der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkung. Die Com puter- und Datenerfassungseinheit 42 und ihre verschie denen Funktionen werden in Fig. 5 durch die Blöcke I, II und III dargestellt. Block I umfaßt den Computer 43, der dafür ausgelegt ist, folgende Werte zu empfangen: die vom Geschwindigkeitsmesser 46 gelieferte Fahrzeugge schwindigkeit, der Betrag des an der Lenksäule 16 anlie genden Drehmoments und dessen Richtung und die durch die Linie 54 angedeuteten Motor-Ausgabedaten, die eine Feh lernachweismöglichkeit des Systems darstellen.

Das tatsächlich anliegende Drehmoment und seine Richtung werden vom Drehmomentsensor 44 gemessen und als Ausgabe signal über einen in Block II gezeigten Meßwertaufberei ter 56 an den Computer 43 weitergeleitet. Der Meßwertauf bereiter 56 kann einen Verstärker und ein Tiefpaßfilter umfassen, um das Hintergrundrauschen des Ausgabesignals vom Drehmomentsensor 44 zu beseitigen.

Das Ausgangssignal des Meßwertaufbereiters 56 wird gleichzeitig an die Grenzwertschaltung 58 weitergeleitet, die überprüft, ob an der Lenksäule mindestens ein festge legtes Drehmoment anliegt. Wenn das anliegende Drehmoment nicht einen festgelegten Grenzwert überschreitet, wird ein "Abschalt"-Befehl an den Leistungstreiber 36 gelei tet, wodurch der Motor 34 nicht in Betrieb gesetzt wird.

Die Ausgabedaten des Motors, deren Bereitstellung für den Computer 43 wie oben beschrieben durch die Linie 54 ange deutet wird, betreffen den Betrieb des Motors 34. Diese Daten umfassen insbesondere Strom- und Temperaturwerte des Motors. Falls diese Werte außerhalb eines festgeleg ten Bereiches liegen, schaltet der Computer 43 das System ab.

Der Fachmann wird zugeben, daß der Umfang der vorliegen den Erfindung nicht auf die oben gegebene Beschreibung einer besonderen Ausführungsform beschränkt ist. Der Um fang der vorliegenden Erfindung wird vielmehr ausschließ lich durch die Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Servolenkvorrichtung für ein Räder (32) aufwei sendes Fahrzeug (10), mit
einer manuell betätigten Lenkvorrichtung (16, 22, 30), die Mittel (20, 26, 24, 28, 30) zur Übertragung der manuellen Lenkbefehle an die Fahrzeugräder (32) umfaßt; gekennzeichnet durch
Mittel (18, 34, 36), um die manuell betätigte Lenkvorrichtung (16, 22, 30) mit einer elektrisch erzeug ten Lenkhilfskraft zu unterstützen.

2. Fahrzeugeinheit, mit
einem Räder (32) aufweisenden Fahrzeug (10),
einer manuell betätigten Lenkvorrichtung (16, 22, 30), die Mittel (20, 26, 24, 28, 30) zur Übertragung der manuellen Lenkbefehle an die Fahrzeugräder (32) umfaßt; gekennzeichnet durch
Mittel (18, 34, 36), um die manuell betätigte Lenkvorrichtung (16, 22, 30) mit einer elektrisch erzeug ten Lenkhilfskraft zu unterstützen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß
die manuell betätigte Lenkvorrichtung (16, 22, 30) eine Lenksäule (16), ein mit der Lenksäule (16) ver bundenes Lenkrad (22), das von Hand bedient werden kann,
und Mittel (20, 26, 24, 28, 30) zur Übertragung eines als Lenkkraft am Lenkrad (22) und der Lenksäule (16) anlie genden Drehmomentes auf die Fahrzeugräder (32) umfaßt; und
die Mittel zur Unterstützung mit einer elektrisch erzeugten Hilfskraft elektrische Antriebsmittel (34) um fassen, die mit der manuell betätigten Lenkvorrichtung (16, 22, 30) in Verbindung stehen, um diese gemäß der am Lenkrad (22) anliegenden Lenkkraft wahlweise mit einem Drehmoment zu beaufschlagen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrischen Antriebsmittel (34) so an geordnet sind, daß sie ablösbar an der Lenksäule (16) be festigt sind und diese wahlweise axial gedreht werden kann, wodurch keine Beeinträchtigung des manuellen Lenk vorgangs entsteht, wenn die elektrischen Antriebsmittel (34) nicht arbeiten.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die elektrischen Antriebsmittel einen mit der Lenksäule (16) verbundenen Elektromotor (34), ein Mittel (36) zum Betätigen des Elektromotors (34) und ein rechnergestütztes Steuermittel (18) zur Betätigung der Betätigungsmittel (36) gemäß festgelegter Parameter und gemäß einer auf die Lenksäule (16) ausgeübten Lenkkraft umfassen, um die Lenksäule (16) mit einem Drehmoment von festgelegter Mindestgröße zu beaufschlagen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Elektromotor (34) ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem intern an der Lenksäule (16) angebrachten Rotor (38) ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Material des oder der Rotormagneten (38) seltene Erden umfaßt.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 bis 7, gekennzeich net durch
ein Mittel (44), das mit dem rechnergestützen Steuermittel (18) verbunden ist und das an der Lenksäule (16) anliegende Drehmoment mißt, und
ein Mittel (42), das mit dem Drehmomentmeßmittel (44) verbunden ist, um den Betrieb des elektrischen Mo tors (34) zu verhindern, wenn das anliegende Drehmoment geringer als ein festgelegter Grenzwert ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die festgelegten Parameter die Fahr zeuggeschwindigkeit umfassen und zusätzlich ein mit dem rechnergestützen Steuermittel (18) verbundenes Mittel (46) vorgesehen ist, das die Geschwindigkeit des Fahr zeugs (10) mißt.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das rechnergestütze Steuermittel (18) zu sätzlich
ein Mittel (43), das gemäß den festgelegten Para metern das Drehmoment, mit dem der Elektromotor (34) die Lenksäule (16) beaufschlagt, berechnet, und
ein Summiermittel (50) zur Einstellung des anzu legenden Drehmomentes gemäß dem vom Drehmomentmeßmittel (44) gemessenen Drehmomentbetrag.

11. Verfahren für eine Lenkhilfe für ein Räder auf weisendes Fahrzeug, gekennzeichnet durch die Schritte:
der manuellen Übertragung von manuellen Lenkbe fehlen an die Fahrzeugräder (32),
des Erfassens der manuellen Übertragung und
der Erzeugung von an die Fahrzeugräder (32) zu schickenden elektrischen Lenkbefehlen, um die manuelle Lenkung der Fahrzeugräder (32) zu unterstützen.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß
das Bodenfahrzeug (10) eine manuelle Lenkvor richtung (16, 22, 30) besitzt, die eine Lenksäule (16), ein damit verbundenes, manuell drehbares Lenkrad (22) und ein Mittel (30) zur Übertragung einer an der manuellen Lenkvorrichtung (16, 22) anliegenden Lenkkraft auf die Fahrzeugräder (32) umfaßt,
der Erfassungsschritt einen Schritt umfaßt, der eine an der Lenkvorrichtung (16, 22, 30) anliegende Lenk kraft erfaßt, und
der Schritt zur Erzeugung elektrischer Lenkbe fehle folgende Schritte umfaßt:
Berechnung eines Drehmomentes, daß von nicht-ma nuellen Mitteln (34) gemäß festgelegter Parameter aufge bracht werden muß,
elektrische Erzeugung eines Drehmomentes entspre chend dem berechneten Drehmomentwert und
Beaufschlagung der Lenkvorrichtung (16, 22, 30) mit dem erzeugten Drehmoment.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch die weiteren Schritten
des Erfassens des an der Lenksäule (16) anliegen den Drehmomentes vor dem Berechnungsschritt und
des Überspringens des Beaufschlagungsschrittes, wenn das anliegende Drehmoment geringer als ein festge legter Grenzwert ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die festgelegten Parameter die Fahr zeuggeschwindigkeit umfassen und das Verfahren vor dem Berechnungsschritt zusätzlich den Schritt des Erfassens der Geschwindigkeit des Fahrzeuges umfaßt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Einstellens des Betrages des elektrisch erzeugten und an die Lenksäule (16) anzule genden Drehmomentes gemäß dem gemessenen Drehmoment.