DE60218903T2

DE60218903T2 - Hydrostatisches Lenksystem mit verbessertem Lenkgefühl

Info

Publication number: DE60218903T2
Application number: DE60218903T
Authority: DE
Inventors: Don Rulon Draper
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP2002274401A; EP1231128A3; EP1498342B1; EP1231128B1; DE60218903D1; DE60202005D1; US6539710B2; US20020108802A1; EP1231128A2; DE60202005T2; EP1498342A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydrostatische Fahrzeugservolenksysteme, und genauer auf solche Systeme, die in Fahrzeugen verwendet werden, welche typischerweise mit relativ höheren Geschwindigkeiten fahren und Fahrzeuge "für öffentliche Straßen" wie z.B. Automobile und Kleinlaster sowie "Hochgeschwindigkeits"-Traktoren einschließen, d.h. Fahrzeuge, die mit Geschwindigkeiten von mehr als etwa 30 Meilen pro Stunde (48 km/h) bewegt werden, ohne sich jedoch darauf zu begrenzen. Der Einfachheit halber sind im Folgenden beide Fahrzeugtypen unter entweder dem Begriff "für öffentliche Straßen" oder dem Begriff "Hochgeschwindigkeit" eingeschlossen.
Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf hydrostatische Fahrzeugservolenksysteme des Typs, der eine vollständig fluidgekoppelte Lenksteuereinheit (SCU) einschließt, die den Fluidstrom aus einer Druckquelle (wie z.B. einer Servolenkpumpe) zu einem fluiddruckbetätigten Aktuator steuert, der den gelenkten Rädern zugeordnet ist. Der Betrieb der SCU vollzieht sich in Ansprechen auf eine manuelle Eingabe durch den Fahrzeugführer. Das System des Typs, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, beinhaltet weiterhin eine gewisse Form einer Ausgleichsventilanordnung, die entweder zu dem Aktuator Fluid zuführen oder von dem Aktuator Fluid abziehen kann (d.h. zu oder von der mit dem Einlass des Aktuators verbundenen Leitung), und zwar in Ansprechen auf die Erfassung eines "Fehlers" zwischen dem Lenkeingang (Lenkradstellung) und dem Lenkausgang (Stellung des gelenkten Rads). Ein System dieses Typs, das gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschaffen ist, ist in dem auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent Nr. 6 076 349 illustriert und beschrieben.
Die Implementierung eines Lenksystems des Typs, der in dem oben erwähnten Patent dargestellt ist, hat die Anordnung eines Sensors an irgendeiner Stelle an dem Fluiddruckaktuator beteiligt, um ein Signal für die Stellung des gelenkten Rads zu generieren, sowie die Anordnung eines Sensors in der Nähe der Lenksäule, um ein Signal zu erzeugen, das repräsentativ für die Lenkradstellung ist.
Ein wichtiger Aspekt der in dem oben erwähnten Patent illustrierten und beschriebenen SCU bestand darin, die Steifigkeit (Federrate) der sich rückstellenden Federn wesentlich zu erhöhen, sodass eine Strömung zu dem Lenkaktuator in Ansprechen auf die Auslösung einer Lenkraddrehung selbst bei der Abwesenheit einer relativen Verlagerung des Spulenventils und des Hülsenventils innerhalb der SCU auftreten kann. Allerdings ist die Positionsbeziehung zwischen dem Lenkrad und dem Fluiddosierer (die durch die Steifigkeit der Rückstellfedern bestimmt wird) immer noch eine relativ nachgiebigere Verbindung als die Positionsbeziehung zwischen dem Fluiddosierer der SCU und den gelenkten Rädern, wobei diese letztere Positionsbeziehung hauptsächlich mit der Komprimierbarkeit des Fluids und der Nachgiebigkeit der verschiedenen Systemelemente einschließlich der Schläuche (Leitungen) in Verbindung steht. Diese relativ steife Beziehung zwischen dem Fluiddosierer und den gelenkten Rädern ist jedoch dem Phänomen der Leckage ausgesetzt, das einer der Hauptgründe dafür ist, dass da System über die Fähigkeit einer Hinzufügung von "Ausgleichs"-Fluid verfügt.
In Verbindung mit der Entwicklung des Systems des oben erwähnten Patents ist bestimmt worden, dass eines oder mehrere Probleme immer dann auftreten, wenn das Systemsteuergerät einen Fehler zwischen der Stellung des gelenkten Rads und der Lenkradstellung erfasst und diesen durch die Hinzufügung von Fluid zwischen der SCU und dem Lenkaktuator auszugleichen beginnt. Das zu dem Kreislauf hinzugefügte Ausgleichsfluid bewirkt einen Druckanstieg in dem Lenkkreislauf und dieser Druckanstieg wirkt sich auf den Fluiddosierer aus, dessen Position hauptsächlich durch die Stellung des Lenkrads und die relative Ablenkung von bzw. die Verlagerung zwischen dem Spulenventil und dem Hülsenventil der SCU bestimmt wird. Wie zuvor beschrieben besteht eine relativ nachgiebigere Verbindung (sich rückstellende Federn) zwischen dem Lenkrad und dem Fluiddosierer. Eine Folge des sich auf den Fluiddosierer auswirkenden Druckanstiegs besteht in einer unerwünschten Erhöhung oder Verringerung des von dem Fahrzeugführer wahrgenommenen Widerstandsdrehmoments des Lenkrads.
Ein weiteres in Zusammenhang mit dem oben beschriebenen System auftretendes Problem besteht in der Unsicherheit der relativen Ablenkung des Spulenventils und des Hülsenventils der SCU. Diese Unsicherheit ist einer der bestimmenden Grenzwerte hinsichtlich der Kontrollierbarkeit des Systems. Mit anderen Worten kann die Differenz bzw. der Fehler zwischen der Lenkradstellung und der Stellung des gelenkten Rads nicht auf einen Wert reduziert werden, der unter dem gesamten Unsicherheitsausmaß des Systems liegt, und die momentane Ablenkung zwischen der Spule und der Hülse kann wesentlich zu dieser Unsicherheit beitragen.
In Lenksystemen des Typs, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, in denen die Erfassung der Lenkeingangsbewegung notwendig ist, kann die Leistungsfähigkeit des Lenksystems durch die Erhöhung der Auflösung des Sensors, der das Befehlspositionssignal generiert, verbessert werden. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Auflösung" auf die Anzahl an unterschiedlichen Punkten, die von dem Steuergerät (Fahrzeugmikroprozessor) pro Einheit Strecke identifiziert werden kann.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten hydrostatischen Lenksystems, das für einen Fahrzeugtyp "für öffentliche Straßen" oder für einen Hochgeschwindigkeits-Fahrzeugtyp ausgelegt ist; der nicht für öffentliche Straßen vorgesehen ist, und das die oben beschriebenen Probleme von beim Stand der Technik bestehenden Systemen überwindet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten hydrostatischen Lenksystems, das die oben genannte Aufgabe löst und das Lenkgefühl während eines Lenkvorgangs wesentlich verbessert.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Lenksteuereinheit, in der ein Befehlspositionssignal mit einer höheren Auflösung auf einfache Weise und ohne den Bedarf nach einer wesentlichen und teuren Struktur erzeugt werden kann, die zu der Lenksteuereinheit hinzugefügt werden müsste.
Die obigen und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die Bereitstellung eines verbesserten vollständig fluidgekoppelten Lenksystems gelöst, das dazu ausgelegt ist, einem Paar gelenkten Rädern eines Fahrzeugs in Ansprechen auf eine manuelle Eingabe in ein Lenkbauteil eine Eingangsbewegung zu verleihen, wobei das Lenksystem eine Quelle von unter Druck stehendem Fluid, ein Fluidsteuergerät sowie einen fluiddruckbetätigten Aktuator aufweist, der dazu ausgelegt ist, einem Paar gelenkten Rädern wirkungsmäßig zugeordnet zu werden, um ihm in Ansprechen auf die manuelle Eingabe in ein Lenkbauteil eine Eingangsbewegung zuzuführen. Das Fluidsteuergerät beinhaltet ein Gehäuse, das einen Fluideinlassanschluss ausbildet, der mit der Quelle von unter Druck stehendem Fluid in Fluidverbindung steht, sowie einen in Fluidverbindung mit dem Aktuator stehenden Steueranschluss; und weiterhin umfasst das Fluidsteuergerät einen Fluiddosierer mit einem beweglichen Bauteil, das zum Dosieren des durch den Fluiddosierer strömenden Fluids betätigt werden kann. Ebenfalls ist das Fluidsteuergerät mit einer Ventilanordnung versehen, die betätigbar ist, um in Ansprechen auf den manuellen Eingang in das Lenkbauteil von dem Fluideinlassanschluss zu dem Fluiddosierer und zu dem Steueranschluss strömendes Fluid zu steuern. Eine Feder spannt die Ventilanordnung zu einer Neutralstellung hin vor. Ein Positionssensor für das gelenkte Rad ist betätigbar, um ein Signal, das repräsentativ für die momentane Stellung des gelenkten Rads ist, zu einem Fahrzeugmikroprozessor zu übertragen.
Das verbesserte Lenksystem ist durch einen wirkungsmäßig mit dem Fluidsteuergerät assoziierten Eingabepositionssensor gekennzeichnet, der die Bewegung des beweglichen Bauteils des Fluiddosierers erfasst, um zu dem Fahrzeugmikroprozessor ein Signal zu übertragen, das repräsentativ für die momentane Stellung des Fluiddosierers ist. Der Fahrzeugmikroprozessor beinhaltet einen Komparator, um das Signal, das repräsentativ für die Stellung des Fluiddosierers ist, mit dem Signal zu vergleichen, das repräsentativ für die Stellung des gelenkten Rads ist, und um ein Befehlssignal zu generieren. Weiterhin umfasst das System ein Korrekturventil mit einem Einlass, der mit der Quelle von unter Druck stehendem Fluid in Verbindung steht, sowie einen in Fluidverbindung mit dem Aktuator stehenden Auslass, wobei das Korrekturventil das Befehlssignal aufnimmt und die Fluidströmung zu dem Aktuator korrigiert, um die Differenz zwischen dem Eingangspositionssignal und dem Signal für die Stellung des gelenkten Rads zu beseitigen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung umfasst das Fluidsteuergerät eine Drehfluiddruckvorrichtung, die ein Gehäuse aufweist, das einen Fluideinlassanschluss und einen Fluidauslassanschluss ausbildet, wobei ein Fluidverdrängungsmechanismus mit dem Gehäuse assoziiert ist und ein innen verzahntes Ringbauteil sowie ein außen verzahntes Sternbauteil einschließt. Das Sternbauteil ist exzentrisch innerhalb des Ringbauteils angeordnet, und darin eine Umlauf- und Drehbewegung auszuführen. Das Ringbauteil und das Sternbauteil wirken zusammen, um eine Mehrzahl N von sich ausdehnenden und sich zusammen ziehenden Fluidvolumenkammern in Ansprechen auf die Umlauf- und Drehbewegung auszubilden. Eine drehbare Ventilanordnung ist wirkungsmäßig mit dem Gehäuse assoziiert und stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Fluideinlassanschluss und den sich ausdehnenden Volumenkammern sowie zwischen den sich zusammen ziehenden Volumenkammern und dem Fluidauslassanschluss bereit. Eine Sensorbaugruppe ist der Drehfluiddruckvorrichtung wirkungsmäßig zugeordnet, um ein elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen, das repräsentativ für den Betrieb der Vorrichtung ist.
Die verbesserte Drehfluiddruckvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe ein erstes Bauteil umfasst, welches wirkungsmäßig dem Sternbauteil zugeordnet ist, um sich mit einer Drehzahl zu drehen, die repräsentativ für die Drehzahl der Umlaufbewegung des Sternbauteils ist. Weiterhin umfasst die Sensorbaugruppe ein Sensorelement, das für die Erfassung der Drehzahl des ersten Bauteils betätigt werden kann und dasjenige elektrische Ausgangssignal generiert, das repräsentativ für die Verlagerung des Sternbauteils ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Hydraulikschema eines hydrostatischen Servolenksystems des Typs, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht.
2 ist ein vergrößertes fragmentarisches Hydraulikschema, das nur die Lenksteuereinheit des in 1 illustrierten Systems darstellt.
3 ist ein axialer Querschnitt der schematisch in 2 dargestellten Lenksteuereinheit, die gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.
4 ist ein vergrößerter fragmentarischer axialer Querschnitt ähnlich zu 3, der die Sensorbaugruppe der primären Ausführungsform illustriert.
5 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Sensorbaugruppe der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein leicht schematischer, fragmentarischer axialer Querschnitt der alternativen Ausführungsform aus 5 in ihrem aufgebauten Zustand.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, welche die Erfindung nicht einzugrenzen beabsichtigen, ist 1 ein Hydraulikschema eines gemäß der vorliegenden Erfindung angefertigten hydrostatischen Servolenksystems. Das System umfasst eine Fluidpumpe 11, deren Einlass mit einem Systemreservoir R verbunden ist. Der Auslass der Pumpe 11 steht durch eine Leitung 13 mit dem Einlass eines allgemein mit 15 bezeichneten Lasterfassungs-Prioritätsstromsteuerventils von demjenigen Typ in Verbindung, der in dem auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent Nr. 3 455 210 illustriert und beschrieben ist. Der Druckausgang der Fluidpumpe 11 wird derart durch ein Überdruckventil 17 begrenzt, dass jeder Druck, dessen Pegel einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet, einfach zurück zu dem Systemreservoir R übertragen wird.
Somit versteht sich für den Fachmann anhand der vorliegenden Beschreibung, dass obwohl das in 1 dargestellte System vom Lasterfassungstyp ist, die Erfindung in einem hydrostatischen Servolenksystem vom Typ mit entweder geschlossener oder offener Mittelstellung auf vorteilhafte Weise verwendet werden kann. Darüber hinaus wird die Erfindung in Zusammenhang mit einem System illustriert und beschrieben, dass vom Last-Reaktionstyp ist, obwohl sie gleichermaßen für ein System vom Nicht-Last-Reaktionstyp anwendbar ist.
Der Rest des hydrostatischen Servolenksystems kann als eine Vielzahl von Untersystemen betrachtet werden, die einen Lenkaktuator 19, ein auch als eine Lenksteuereinheit (SCU) bezeichnetes und allgemein mit 21 gekennzeichnetes Fluidsteuergerät (dessen Einzelheiten einer vereinfachten Illustration halber schematisch nur in 2, jedoch nicht in 1 dargestellt sind), eine allgemein mit 23 gekennzeichnete elektro-hydraulische Steuer-(EHC)-Ventilbaugruppe sowie einen allgemein mit 25 gekennzeichneten Fahrzeugmikroprozessor (ECU) einschließen.
Wie für den Fachmann auf dem Gebiet der Lasterfassungssteuertechnik wohlbekannt verfügt das Prioritätsventil 15 über einen "CF"-(Steuer- oder "Prioritäts"-Strom)-Auslass, an dem eine Leitung 27 angeschlossen ist, sowie über einen "EF"-(Überschuss- oder "Hilfs"-Strom)-Auslass, an den eine Leitung 29 gekoppelt ist. Die Leitung 27 ist in 1 so dargestellt, dass sie eine T-Verbindung mit der Leitung 31 bildet, die den Eingang für sowohl die SCU 21 wie die EHC-Ventilbaugruppe 23 bildet. In 1 ist dargestellt, dass die Leitung 29 eine T-Verbindung mit einer Leitung 33 bildet, die wiederum mit einer Leitung 35 eine T-Verbindung bildet, und die Leitung 35 bildet einen Rücklauf zu dem Systemreservoir R.
In der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber ist der Aktuator 19 schematisch als ein Motor (d.h. ein Drehaktuator) mit einer Abtriebswelle 37 oder einem anderen geeigneten Drehabtriebsbauteil dargestellt, das typischerweise z.B. durch einen Lenkhebel und eine Lenkzwischenstange mechanisch verkoppelt werden würde, um den tatsächlichen mechanischen Abtrieb dem Paar (hier nicht dargestellten) gelenkten Rädern zuzuführen. Für den Fachmann sollte sich verstehen, dass der jeweils verwendete Typ des Aktuators 19 sowie die Art und Weise, auf die er zur Bereitstellung eines Lenkeingangs zu den gelenkten Rädern verwendet wird, kein wesentliches Merkmal der Erfindung ist. Beispielsweise könnte anstelle eines Drehaktuators ein Zylinder verwendet werden, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Leitungen 39 und 41 sind an den gegenüberliegenden Seiten des Aktuators 19 verbunden, wobei unter Druck stehendes Fluid in der Leitung 39 eine Rechtsdrehung des Fahrzeugs und unter Druck stehendes Fluid in der Leitung 41 eine Linksdrehung bewirkt.
Ein allgemein mit 43 gekennzeichnetes Zweiwege-Magnetventil mit zwei Stellungen steht mit der Leitung 31 in Fluidverbindung und ist im allgemeinen mit der SCU 21 assoziiert, wobei der Auslass des Magnetventils 43 mittels einer Leitung 45 zu einem Einlassanschluss 47 (siehe 2) der SCU 21 übertragen wird. Eine Leitung 49 steht mit der Leitung 33, und anschließend durch die Leitung 35 mit dem Systemreservoir R in Verbindung. Mit der Leitung 49 ist ebenfalls ein Rücklaufanschluss 51 (siehe 2) der SCU 21 verbunden.
Wie oben erwähnt dient die Leitung 31 als der Eingang für die EHC-Ventilbaugruppe 23, die in der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber ein Paar identischer Proportionalmagnet(EHC)-Ventile 53 und 55 aufweist. Die beiden Ventile 53 und 55 könnten auch durch ein einzelnes Dreiwegeventil mit drei Stellungen oder durch jede andere Fluidverbindungsanordnung ersetzt werden, welche die allgemeine Funktion der Zuführung von "Ausgleichs"-Fluid zu dem Lenkaktuator 19 in Ansprechen auf die geeigneten Befehlssignalen ausführen kann. Der Auslassanschluss des EHC-Ventils 53 ist durch eine Leitung 57 mit der Leitung 39 verbunden, während der Auslassanschluss des EHC-Ventils 55 durch eine Leitung 59 und eine Leitung 61 mit der Leitung 41 verbunden wird. Die nachfolgenden Bezüge auf den "Auslass" bzw. den "Auslassanschluss" der Ventile 53 und 55 sind mit den Bezugszeichen der Leitungen 57 bzw. 59 versehen. Obgleich kein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung kann das Lenksystem gemäß dem auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent Nr. 5 960 694, Hydrostatic power steering system having reduced wheel slip ("hydrostatisches Servolenksystem mit reduziertem Radschlupf") angefertigt werden.
Nun hauptsächlich auf 2 Bezug nehmend wird die SCU 21 durch eine Lenkeingabevorrichtung wie z.B. ein Lenkrad W betätigt, um die Fluidströmung von dem Einlassanschluss 47 zu dem Aktuator 19 auf eine Weise zu steuern, die dem Fachmann auf dem SCU-Gebiet im Allgemeinen wohlbekannt ist. Es sollte sich verstehen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen bestimmten Typ bzw. eine bestimmte Konfiguration der SCU begrenzt, solange dies im Folgenden nicht spezifisch angegeben ist. Die SCU 21 beinhaltet eine allgemein mit 63 gekennzeichnete Ventilanordnung sowie einen Fluiddosierer 65. Wie für den Fachmann auf dem Gebiet der Lenktechnik ebenfalls wohlbekannt besteht eine Funktion des Fluiddosierers 65 im "Dosieren" des durch die SCU 21 strömenden Fluids und in der Übertragung einer Nachlaufbewegung zu der Ventilanordnung 63, wodurch die Ventilanordnung 63 in ihre Neutralstellung (zentrale Stellung in den 1 und 2) zurückgeführt wird, nachdem die gewünschte Fluidmenge zu dem Aktuator 19 übertragen worden ist. Vorzugsweise ist die SCU von demjenigen Typ, bei dem in der Neutralstellung der Ventilanordnung 63 die SCU 21 über ein "Lastreaktions"-Vermögen verfügt, wodurch die Leitungen 39 und 41 durch die Ventilanordnung 83 mit den gegenüberliegenden Seiten des Fluiddosierers 65 in einer relativ unbegrenzten Fluidverbindung stehen, wie dies schematisch in 2 dargestellt ist. Infolgedessen und wie beim Stand der Technik wohlbekannt üben externe Lasten, die an die gelenkten Räder und somit an die Abtriebswelle 37 angelegt werden, in einer der beiden Leitungen 39 oder 41 (in Abhängigkeit von der Richtung der angelegten Kraft) eine hydraulische Last aus, die wiederum dem Fluiddosierer 65 eine hydraulische Last zuführt. Diese Last wird von dem Fahrzeugführer an dem Lenkrad W wahrgenommen und bildet somit, wie dies im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" erwähnt wurde, einen Aspekt des "Lenkgefühls", das im allgemeinen in Servolenksystemen "für öffentliche Straßen" und "hohe Geschwindigkeiten" des Typs, auf den sich die Erfindung bezieht, erwünscht ist.
In 2 ist ersichtlich, dass eine Anzahl der Strömungswege Rückschlagventile, und genauer Antikavitations-Rückschlagventile einschließt. Somit kann die SCU 21 vorzugsweise gemäß dem auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen US-Patent Nr. 5 101 860, fluid controller and improved check valve arrangement therefore ("Fluidsteuergerät und verbesserte Rückschlagventilanordnung dafür") angefertigt werden.
Immer noch auf 2 Bezug nehmend umfasst die SCU 21 ein Paar Steuerfluidanschlüsse 67 und 69, die mit den Leitungen 39 bzw. 41 verbunden sind. Ebenfalls beinhaltet die SCU 21 einen Lastsignalanschluss 71, durch welchen, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird, ein Lastsignal 73 übertragen wird. Schließlich sei für 2 darauf hingewiesen, dass die SCU-Ventilanordnung 63 zu der in 2 dargestellten Neutralstellung hin mittels einer Vorspannfederbaugruppe 75 vorgespannt wird, die schematisch als zwei getrennte Vorspannanordnungen dargestellt ist, wobei dem Fachmann jedoch wohlbekannt ist, dass die Baugruppe 75 eine Einzelfederbaugruppe aufweist, die betätigt werden kann, um die Ventilanordnung 63 entweder von dem Rechtsdrehzustand R oder von einem Linksdrehzustand L zurück zu der neutralen (zentrierten) Stellung zurückzuführen. Die in 3 im Querschnitt dargestellte Vorspannfederbaugruppe 75 wird nachfolgend weiter beschrieben werden.
Nun hauptsächlich auf 3 Bezug nehmend wird die SCU 21 angesichts des oben erwähnten US-Patents Nr. 5 101 880 nur knapp beschrieben werden. Ebenfalls kann die SCU 21 gemäß dem ebenfalls auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent Nr. 4 109 679 angefertigt werden. Die SCU 21 weist mehrere Abschnitte einschließlich eines Gehäuseabschnitts 77, einer Anschluss- bzw. Verschleißplatte 79, eines den Fluiddosierer 65 enthaltenden Abschnitts und einer Endplatte 81 auf. Diese Abschnitte werden durch eine Mehrzahl von Schrauben 83 (wobei in 3 nur deren Köpfe dargestellt sind) in einem festen abdichtenden Eingriff gehalten. Typischerweise bildet der Gehäuseabschnitt 77 sämtliche der oben genannten Fluidanschlüsse aus, wobei in der Ebene von 3 nur der rechte Anschluss 67 und der linke Anschluss 69 sichtbar sind.
Weiterhin bildet der Gehäuseabschnitt 77 eine Ventilbohrung 85 aus, und drehbar darin ist die in den 1 und 2 schematisch dargestellte Ventilanordnung 63 angeordnet, welche ein drehbares Hauptventilorgan 87 ("Spule") sowie ein damit zusammenwirkendes, relativ drehbares Nachlaufventilorgan 89 ("Hülse") aufweist. Wie beim Stand der Technik wohlbekannt umfasst das vordere Ende (linkes Ende in 3) der Spule 87 einen Bereich mit einem verringerten Durchmesser, der einen Satz Innenkeilzähne 91 ausbildet, die für eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad W und der Spule 87 sorgen.
Der Fluiddosierer 65 kann von dem beim Stand der Technik wohlbekannten Typ sein und beinhaltet einen innen verzahnten stationären Ring 93 sowie einen außen verzahnten beweglichen Stern 95, wobei die relative Bewegung des Sterns 95 innerhalb des Rings 93 auf eine dem Fachmann wohlbekannte Weise eine Mehrzahl von sich ausdehnenden und sich zusammen ziehenden Fluidvolumenkammern 96 ausbildet (siehe 5). Der Stern 95 bildet einen Satz Innenkeilzähne 97 aus, und in Keilzahneingriff mit ihnen steht ein Satz Außenkeilzähne 98, die an dem hinteren Ende einer Antriebswelle 99 ausgebildet sind (ebenfalls in den 1 und 2 schematisch dargestellt). Die Antriebswelle 99 verfügt über ein gabelförmiges vorderes Ende, das mit einem Stift 101 in Eingriff tritt. Wie beim Stand der SCU-Technik wohlbekannt wird die Umlauf- und Drehbewegung des Sterns 95 durch die Antriebswelle 99 und den Stift 101 in eine Nachlaufdrehbewegung der Hülse 89 übersetzt. Eine Funktion der Nachlaufanordnung besteht in der Aufrechterhaltung einer bestimmten relativen Verlagerung zwischen der Spule 87 und der Hülse 89 proportional zu der Drehrate des Lenkrads W, die ebenfalls eine Funktion des an das Lenkrad W angelegten Drehmoments ist. Wie zuvor beschrieben ist vor der Welle 99 und dem Stift 101 die Vorspannfederbaugruppe 75 angeordnet. Die hier dargestellte Vorspannfederbaugruppe 75 kann eine allgemeine konventionelle Konfiguration und Konstruktion aufweisen, wobei deren Einzelheiten keine wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind. Das Merkmal der Baugruppe 75 besteht, vorausgesetzt diese ist gemäß dem oben erwähnten US-Patent Nr. 6 076 349 gefertigt, darin, dass sie eine wesentlich größere Vorspann- oder Zentrierkraft als in typischen Fluidsteuergeräten vom Stand der Technik bereitstellt, die in konventionellen nicht für öffentliche Straßen bestimmten Anwendungen verwendet werden. Obgleich eine solche erhöhte Zentrierkraft in bestimmten Anwendungen für die vorliegende Erfindung erwünscht sein kann, versteht sich für den Fachmann, dass dies kein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellt.
Erneut auf 1 Bezug nehmend werden nun weitere Aspekte des Systems beschrieben werden. Dem Lenkrad W (oder einem gewissen Abschnitt der Lenksäule usw.) ist wirkungsmäßig ein Lenkrad-Positionssensor 103 zugeordnet, der zu der ECU 25 ein Signal 105 überträgt, das repräsentativ für die momentane Lenkradstellung ist. Ähnlich dazu wird ein Positionssensor 107 für das gelenkte Rad wirkungsmäßig mit den gelenkten Rädern, mit der Abtriebswelle 37, oder mit einem anderen Abschnitt des Lenkgestänges assoziiert, der zu der ECU 25 ein Signal 109 überträgt, das repräsentativ für die momentane Stellung des gelenkten Rads ist. Unter den Ausgängen der ECU 25 befinden sich ein zur Steuerung der Position des Magnetventils 43 betätigbares AN/AUS-Befehlssignal 111 sowie ein Paar proportionaler Befehls signale 113 und 115, die zur Steuerung der EHC-Ventile 53 bzw. 55 betätigt werden können.
Ebenfalls umfasst das Lenksystem ein Paar Wechselventile 117 und 119. Das Wechselventil 117 überträgt das höhere der beiden Lastsignale von den EHC-Ventilen 53 und 55 als ein Lastsignal 121, das einen der Eingänge in das Wechselventil 119 bildet, wobei der andere Eingang das Lastsignal 73 von der SCU 21 ist. Der Ausgang des Wechselventils 119 ist ein Lastsignal 123, welches das höhere der beiden Lastsignale 73 und 121 ist. Das Lastsignal 123 wird auf eine dem Fachmann wohlbekannte Art und Weise zurück zu der Lastsignalkammer des Lasterfassungs-Prioritätsventils 15 übertragen. Somit entspricht der Fluiddruckausgang des Ventils 15 an der Leitung 27 dem höchsten Lastsignal, das in dem gesamten Lenksystem erfasst worden ist.
Dem Fluiddosierer 65 ist wirkungsmäßig eine allgemein mit 125 gekennzeichnete Dosiersensorbaugruppe zugeordnet, die zu der ECU 25 ein Signal 127 überträgt, das repräsentativ für die Verlagerung des Fluiddosierers 65, und genauer für die Verlagerung des außen verzahnten Sterns 95 ist. Das Signal 127, das entweder eines oder mehrere Signale umfassen kann, könnte auch so betrachtet werden, dass es die Menge an durch den Fluiddosierer 65 durchgeleitetes Fluid oder einen bestimmten anderen Systemparameter repräsentiert, der durch den in der ECU 25 eingeschlossenen Steueralgorithmus bestimmt worden ist. Die Dosiersensorbaugruppe 125 ist in 1 schematisch und in den 3 und 4 in axialem Querschnitt dargestellt. Der Zweck für die Generierung des Signals 127 und die Art und Weise seiner Verwendung wird im Folgenden ausführlicher beschrieben werden.
Nun hauptsächlich auf 4, jedoch in Zusammenhang mit 3 Bezug nehmend umfasst die Dosiersensorbaugruppe 125 einen Gehäusebereich 129 und ein Abdeckbauteil 131, die durch jede geeignete Anordnung wie z.B. eine Mehrzahl von Schrauben oder Kopfschrauben 133 in einer festen Beziehung relativ zu der Endplatte 81 gehalten werden.
Die Endplatte 81 bildet eine zentrale, sich axial erstreckende Bohrung 135 aus, und darin ist eine Laufbüchse 137 aufgenommen, die sich in 4 nach rechts aus der Bohrung 135 heraus erstreckt. Drehbar innerhalb der Laufbüchse 137 angeordnet ist ein Kurbelbauteil 139 vorgesehen, das an seinem linken Ende in 4 einen kreisförmigen Flanschbereich 141 beinhaltet. An dem Flanschbereich 141 ist z.B. durch einen exzentrischen Stift 143 ein allgemein zylindrischer Abstandshalter 145 befestigt, dessen zylindrische Außenfläche vorzugsweise in einer sehr engen Passbeziehung mit den Innenkeilzähnen 97 steht. Infolgedessen bewirkt eine Umlauf- und Drehbewegung des außen verzahnten Sterns 95 innerhalb des stationären Rings 93 eine Rotation des Kurbelbauteils 139 mit der Umlaufdrehzahl des Sterns 95.
An dem rechten Ende des Kurbelbauteils 139 in 4 ist ein kreisförmiges, außen verzahntes Bauteil 147 angeordnet, das durch jede geeignete Anordnung wie z.B. eine Kopfschraube 149 fixiert wird, um sich mit dem Kurbelbauteil 139 zu drehen. Das Bauteil 147 wird von einer allgemein ringförmigen Zielscheibe 151 umgeben, die mit dem Bauteil 147 in einem Keilzahneingriff steht und sich mit diesem dreht. Innerhalb des Gehäusebereichs 129 ist irgendeine geeignete Anordnung zum Erfassen der Rotation der Zielscheibe 151 angeordnet, wobei die spezifischen Einzelheiten einer derartigen Erfassungsanordnung kein wesentliches Merkmal der Erfindung bilden und diese für den Fachmann wohlbekannt ist, weshalb sie hier nur kurz erläutert werden wird. Lediglich beispielshalber kann die Zielscheibe 151 an ihrer Vorderseite (linke Seite in 4) zwei ringförmige konzentrische Muster aus abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen aufweisen. Benachbart zu den Magnetmustern würden mehrere Sensoren (wobei in 4 ein einzelner Sensor 152 dargestellt ist) relativ zu dem Gehäusebereich 129 fixiert, wobei jeder der Sensoren dazu ausgelegt ist, eines der Magnetmuster auszulesen und die gesamte Anordnung der Muster und der Ablesesensoren diejenige Anordnung bildet, die mitunter als eine Quadratur- und Indexanordnung bezeichnet wird. Eine derartige Anordnung ermöglicht es dem Fachmann, die ECU 25 dahingehend zu programmieren, die absolute Position sowie die relative Bewegung und Richtung des an ihr befestigten rotierenden Bauteils (Zielscheibe 151) zu erkennen.
Wie im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" erläutert ist es bei einem Lenksystem des Typs, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, häufig nützlich, ein Lenkradpositionssignal mit einer höheren Auflösung bereitzustellen, als dies typischerweise von dem konventionellen Lenkrad-Positionssensor 103 bewerkstelligt wird, der schematisch in 1 dargestellt ist. Lediglich beispielshalber verfügt der Stern 95 über 6 Außenzähne (Nocken), was am einfachsten in 5 ersichtlich ist. Immer dann wenn das Lenkrad W gedreht wird, beträgt die Drehzahl des Kurbelbauteils 139 daher das 6-Fache der Drehzahl des Lenkrads W, wie dies auch für die Drehzahl des Bauteils 147 und der Zielscheibe 151 der Fall ist, sodass die Auflösung des von der Dosiersensorbaugruppe 125 übertragenen Signals 127 um einen Faktor 6 besser als die Auflösung des Signals 105 ist. Das Signal 127 ist synchron zu der Bewegung des Sterns 95, jedoch kann es aufgrund der momentanen Ablenkung (relative Verlagerung) des Spulenventils 87 und des Hülsenventils 89 eine Phasendifferenz relativ zu der Bewegung des Lenkrads W aufweisen.
Nun hauptsächlich auf 5 Bezug nehmend ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung illustriert, bei der gleiche bzw. funktional äquivalente Elemente wie die in der Ausführungsform von 4 dargestellten Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen, und hinzugefügte Elemente mit Bezugszeichen versehen sind, die "152" übersteigen. Somit umfasst die Dosiersensorbaugruppe das Kurbelbauteil 139 einschließlich des Abstandsbauteils 145, das relativ zu dem Bauteil 139 exzentrisch montiert ist, jedoch die gleiche Funktion wie in der Hauptausführungsform ausführt, d.h. dass es die Umlaufbewegung des Stenrs 95 in eine Drehung des Kurbelbauteils 139 bei einer Drehzahl überträgt, die der Umlaufdrehzahl des Sterns 95 entspricht oder mindestens repräsentativ für diese ist. Wie in der Hauptausführungsform ist an dem Ende des Kurbelbauteils 139 die Zielscheibe 151 entweder direkt oder indirekt befestigt.
In der Ausführungsform von 5 liegt ein Sternschaft 153 vor, der das Bauteil 139 umgibt und sich axial durch die Bohrung 135 in die Endplatte 81 hinein erstreckt. An dem hinteren Ende (rechtes Ende in 5) des Sternschafts 153 ist eine Indexscheibe 155 befestigt, die für ein vereinfachtes Verpacken und Aufbauen innerhalb einer ringförmigen Vertiefung in der Zielscheibe 151 aufgenommen ist. Die vordere Oberfläche der Indexscheibe 155 ist mit einem magnetischen Muster versehen, das für den vorgesehenen Zweck, d.h. für die Bestimmung der Drehstellung des Sterns 95 geeignet beschaffen ist. An dem vorderen Ende des Sternschafts 153 ist ein Flanschbauteil 157 befestigt, das einen Schlitz 159 ausbildet. Im normalen Betrieb ist das Flanschbauteil unmittelbar an der rückwärtigen Oberfläche des Gerotorsterns 95 angeordnet, und der Schlitz 159 nimmt einen Stift 161 auf (was nur in 6 ersichtlich ist), der sich axial von dem Stern aus erstreckt. Wenn der Stern umläuft und sich dreht, wird infolgedessen nur die Rotationskomponente der Bewegung des Sterns zu dem Sternschaft 153 übertragen, und die momentane Drehstellung der Indexscheibe 155 entspricht daher der momentanen Drehstellung des Sterns 95 und der ungefähren Position (plus oder minus der Ablenkung des Spulen- und Hülsenventils) des Lenkrads W.
Somit bedeutet die Verwendung der in 5 dargestellten Ausführungsform mit der Erfindung, dass das Lenkradpositionssignal 105 auch durch die Dosiersensorbaugruppe 125 generiert werden kann, wodurch der Bedarf nach einem separaten Lenkrad-Positionssensor 103, der an bzw. nahe bei der Lenksäule montiert ist, eliminiert wird.
Für den Fachmann auf dem Gebiet von Lenksystemen des Typs, auf den sich die Erfindung bezieht, versteht sich, dass es erwünscht ist, das Volumen des durch den Fluiddosierer 65 und den Lenkaktuator 19 fließenden Fluids so gleich wie möglich zu halten. Würde die Steuerung der Menge an Ausgleichsfluid (Strömung von der EHC-Ventilbaugruppe 23) jedoch in Ansprechen auf die Erfassung der Lenkradstellung erfolgen, würden viel größere Mengen an Ausgleichsfluid zu oder von dem Aktuator 19 übertragen werden, wodurch sich die Stabilität des Systems verringern würde. Wie weiter oben erwähnt, würde sich ein Hinzufügen oder Abziehen von Ausgleichsfluid auf den Fluiddosierer 65 auswirken, indem das Widerstandsdrehmoment an dem Lenkrad W erhöht oder verringert wird. Es hat sich gezeigt, das mit der vorliegenden Erfindung und durch die Steuerung der Strömung an Ausgleichsfluid in Ansprechen auf die Erfassung der Strömungsmenge durch den Fluiddosierer und auf die momentane Position des Sterns 95 die Menge an Ausgleichsströmung in großem Umfang verringert wird, wodurch die Steuerbarkeit und das Lenkgefühl (Veränderungen des Widerstandsdrehmoments an dem Lenkrad) des Systems verbessert wird.

Claims

Vollständig fluidgekoppeltes Lenksystem, welches ausgelegt Ist, in Ansprechen auf eine manuelle Eingabe eines Lenkbauteils (W) eine Eingangsbewegung an einem Paar von gelenkten Rädern eines Fahrzeugs hervorzurufen, wobei das Lenksystem versehen Ist mit einer Quelle (11) von unter Druck stehendem Fluid, einem Fluidsteuergerät (21), und einem fluiddruckbetätigten Aktuator (19), der dafür ausgelegt ist, wirkungsmäßig mit dem Paar von gelenkten Rädern verbunden zu sein, um bei diesen In Ansprechen auf die manuelle Eingabe des Lenkbauteils (W) die Eingangsbewegung hervorzurufen; wobei das Fluidsteuergerät (21) ein Gehäuse (77) umfasst, welches einen Fluideinlassanschluss (47) in Fluidverbindung mit der Quelle (11) von unter Druck stehendem Fluid, und einem Steueranschluss (67) in Fluidverbindung mit dem Aktuator (19) bestimmt, wobei das Fluidsteuergerät (21) ferner einen Fluiddosierer (65), der über ein bewegliches Bauteil (95) verfügt, welches betätigbar ist, um den Fluidstrom durch den Fluiddosierer (65) zu bemessen, und eine Ventilanordnung (63) aufweist, die betätigbar ist, dem Fluidstrom von dem Fluideinlassanschluss (47) zu dem Fluiddosierer (65) gut zu dem Steuerfluidanschluss (67) in Ansprechen auf die manuelle Eingabe an das Lenkbauteil (W) zu steuern; einer Feder (75) zum Vorspannen der Ventilanordnung (63) In Richtung auf eine Neutralstellung (2); einem Positionssensor (107) für das gelenkte Rad, der betätigbar ist, um ein für die momentane Position des gelenkten Rades repräsentatives Signal (109) an einen Fahrzeugmikroprozessor (25) zu übertragen; gekennzeichnet durch: (a) einen Eingangspositionssensor (125), der wirkungsmäßig dem Fluidsteuergerät (21) zugeordnet ist und der eine Bewegung des beweglichen Bauteils (95) des Fluiddosierers (65) erfasst, um dem Fahrzeugmikroprozessor (25) ein Signal (127) zuzuführen, welches repräsentativ für die momentane Position des Fluiddosierers ist; (b) wobei der Fahrzeugmikroprozessor (25) einen Komparator aufweist, um das für die Position des Fluiddosierers (65) repräsentative Signal (127) und das für die Position des gelenkten Rades repräsentative Signal (107) zu vergleichen und ein Befehlssignal (111, 113, 115) zu erzeugen; und (c) ein Korrekturventil (23) mit einem Einlass, der in Verbindung mit der Quelle (11) von unter Druck stehendem Fluid steht, und einem Auslass (57, 59) in Fluidverbindung mit dem Aktuator (19), wobei das Korrekturventil das Befehlssignal (113, 115) erhält und den Fluidstrom zu dem Aktuator (19) korrigiert, um tendenziell die Differenz zwischen dem Positionssignal (127) und dein Positionssignal (107) des gelenkten Rades zu annullieren.
Lenksystem gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ein Gehäuse (77) aufweist, welches den Fluideinlassanschluss (47) und einen Fluidaunlassanschluss (51) bestimmt, wobei der Fluiddosierer (65) einen Fluidverdrängungsmechanismus aufweist, welcher dem Gehäuse (77) zugeordnet ist, und ein innen verzahntes Ringbauteil (93) sowie ein außen verzahntes Sternbauteil (95) umfasst, welches exzentrisch mit Bezug auf das Ringbauteil (93) für eine Umlauf- und Drehbewegung darin angeordnet ist, wobei das Ringbauteil und das Sternbauteil (95) miteinander zusammenwirken, um in Ansprechen auf die Umlauf- und Drehbewegung eine Mehrzahl N von sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Fluidvolumenkammern (96) zu bestimmen, wobei die drehbare Ventilanordnung (63) wirkungsmäßig dem Gehäuse (77) zugeordnet ist und für eine Fluidverbindung zwischen dem Fluideinlassanschluss (47) und den sich ausdehnenden Volumenkammern (96) sowie den sich zusammenziehenden Volumenkammern (96) und dem Fluidauslassanschluss (51) sorgt; wobei eine der drehbaren Fluiddruckvorrichtung (21) wirkungsmäßig zugeordnete Sensorbaugruppe vorgesehen ist, um ein elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen, welches repräsentativ für den Betrieb der Vorrichtung ist; wobei das Lenksystem ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass: (a) die Sensorbaugruppe (125) ein erstes Bauteil (139) aufweist, welches wirkungsmäßig dem Sternbauteil (95) zugeordnet ist, um sich mit einer für die Geschwindigkeit der Umlaufbewegung des Sternbauteils repräsentativen Drehzahl zu drehen; und (b) die Sensorbaugruppe (125) ferner ein Sensorelement (152) aufweist, welches betätigbar ist, um die Drehgeschwindigkeit des ersten Bauteils (139) zu erfassen und das elektrische Ausgangssignal (127) zu erzeugen, welches repräsentativ für die Verlagerung des Sternbauteils (95) ist.
Lenksystem gemäß Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe (125) ein zweites Bauteil (153) umfasst, welches wirkungsmäßig dem Sternbauteil (95) zugeordnet ist, um mit der Geschwindigkeit der Drehbewegung des Sternbauteils zu rotieren und dadurch eine momentane Ausrichtung zu haben, die der momentanen Ausrichtung des Sternbauteils (95) entspricht, wobei das Sensorelement (152) ferner betätigbar ist, um die momentane Ausrichtung des zweiten Bauteils (153) zu erfassen.
Lenksystem gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (77) ein Endkappenbauteil (81) umfasst, welches axial benachbart dem Ringbauteil (93) und dem Sternbauteil (95) angeordnet ist, und sich das erste (139) und das zweite (153) Bauteil der Sensorbaugruppe (125) axial durch eine Öffnung (135) in dem Endkappenbauteil (81) erstrecken und außerhalb von diesem enden.
Lenksystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (139) der Sensorbaugruppe (125) einen exzentrischen Bereich (141) umfasst, der Innerhalb einer an dem Sternbauteil (95) vorgesehenen Öffnung (97) angeordnet Ist und ferner einen Schaftbereich (139) aufweist, der sich axial durch die Öffnung (135) in dem Endkappenbauteil (81) erstreckt.
Lenksystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbaugruppe (125) ein zweites Bauteil (153) aufweist, welches einen Flanschbereich (157) aufweist, der benachbart dem Sternbauteil (95) angeordnet ist, und ferner eine Antriebsanordnung (159, 161) aufweist, die betätigbar Ist, um die Drehbewegung des umlaufenden und sich drehenden Sternbauteils (95) in eine Drehbewegung des Flanschbereichs (157) des zweiten Bauteils (153) zu übertragen.
Lenksystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil ferner einen hohlen Schaftbereich (153) umfasst, der sich axial durch die Öffnung (135) in dem Endkappenbauteil (81) erstreckt, wobei der hohle Schaftbereich (153) des zweiten Bauteils den Schaftbereich (139) des ersten Bauteils umgibt.
Lenksystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (139) eine Bewegungsscheibe (151) umfasst, die für eine Drehung mit dem Schaftbereich (139) des ersten Bauteils fixiert Ist, und das zweite Bauteil (153) eine Indexscheibe (155) aufweist, die für eine Drehung mit dein hohlen Schaftbereich (153) des zweiten Bauteils fixiert Ist, wobei die Bewegungsscheibe (151) benachbart der Indexscheibe (155) angeordnet ist.
Lenksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Ventilanordnung (63) ein drehbares Hauptventilorgan (87) und ein damit zusammen wirkendes relativ drehbares Nachlaufventilorgan (89) aufweist, wobei das Haupt- und das Nachlaufventilorgan eine Neutralstellung relativ zueinander bestimmen sowie eine relativ zueinander verlagerte Arbeitsstellung.
Lenksystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilorgan (87) und das Nachlaufventilorgan (89) vor dem Ringbauteil (93) und dem Sternbauteil (95) angeordnet sind und die Sensorbaugruppe (125) hinter dem Ringbauteil und dem Sternbauteil angeordnet ist.