EP1212232A1 - Hilfskraft-lenksystem für kraftfahrzeuge - Google Patents

Hilfskraft-lenksystem für kraftfahrzeuge

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Publication number
EP1212232A1
EP1212232A1 EP00962471A EP00962471A EP1212232A1 EP 1212232 A1 EP1212232 A1 EP 1212232A1 EP 00962471 A EP00962471 A EP 00962471A EP 00962471 A EP00962471 A EP 00962471A EP 1212232 A1 EP1212232 A1 EP 1212232A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steering
steering system
actuator
power steering
hydraulic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00962471A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ünal GAZYAKAN
Hartmut Werries
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP1212232A1 publication Critical patent/EP1212232A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
    • B62D5/30—Safety devices, e.g. alternate emergency power supply or transmission means to ensure steering upon failure of the primary steering means

Definitions

  • the invention relates to an auxiliary power steering system for motor vehicles according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • steer-by-wire steering systems Power steering systems that work without mechanical coupling between the steering wheel and the steered vehicle wheels are called steer-by-wire steering systems.
  • These power steering systems have a steering wheel actuator coupled to the steering handwheel, which is composed, for example, of an electric motor, steering angle and / or torque sensor.
  • This steering wheel actuator is connected via electronic control to a steering actuator that can work electrically, hydraulically or pneumatically.
  • the difference between a predetermined target value and a measured actual value is detected by a sensor system and transmitted to a control unit.
  • An electronic unit calculates from this signal and depending on other factors such as Vehicle speed, lateral acceleration, road surface and loading condition a necessary auxiliary torque that is transmitted to the wheels of the motor vehicle to be steered via the steering actuator.
  • a corresponding signal is transmitted to the steering handwheel via the steering wheel actuator, so that the driver perceives the same steering feeling as he is accustomed to from conventional, mechanically coupled power steering systems.
  • a disadvantage of the prior art disclosed in DE 196 15 544 C1 is the fact that a relatively large number of different valves in the vehicle are spatially separated from one another and therefore have to be networked with one another in a complex manner. This large number of different valves carries a high risk of failure.
  • the present invention has for its object to present an auxiliary power steering system in which all necessary functions can be safely represented with as few simple valves as possible. Furthermore, the power steering system should have a fallback level, which makes it possible to bring the vehicle to a safe stop if the vehicle electronics fail.
  • the power steering system has a steering wheel actuator, which is used to transmit the driver a steering request applied via a steering handwheel and for generating a steering feeling is used as feedback for the driver.
  • the steering handwheel is connected by a torsionally elastic member and a gear to an electric motor, preferably designed as an asynchronous motor. Planetary or worm gears can be used as gears.
  • the steering handwheel is connected to a reversible hydraulic pump, which is preferably designed as a gear pump.
  • the steering wheel actuator is connected to a steering actuator via a controlled system. This steering actuator consists of a piston / cylinder unit which transmits the driver's steering request initiated via the steering wheel actuator to the wheels of the motor vehicle to be steered.
  • the integration of detection units in the connecting elements of the steering actuator and body structure means that tensile and compressive forces that act on the steering actuator via tie rods of the steered vehicle wheels can be measured directly.
  • the steering actuator can thus z. B. are attached to the body structure by means of force-measuring bolts, which can directly detect the forces occurring without being influenced by interference signals.
  • the steering actuator is connected to a further reversible hydraulic pump which is driven by an electric motor and a transmission. This second reversible hydraulic pump conveys a hydraulic medium via lines or hoses into the pressure chambers of the piston / cylinder unit.
  • a 4/2-way valve connects or separates the two hydraulic circuits, depending on the operating state.
  • the hydraulic fallback level can be activated by connecting a first hydraulic pump to the piston / cylinder unit.
  • the second hydraulic pump is located at its outputs Unlockable check valves are arranged, separated from the hydraulic circuit.
  • the hydraulic circuit is connected to an accumulator that compensates for any leaks and keeps the hydraulic circuit under constant preload.
  • a steering angle specified on the steering handwheel is an input variable for the steering actuator.
  • the electric motor drives the hydraulic pump until a displacement of the piston / cylinder unit corresponding to the measured steering angle has occurred.
  • the feedback transmitted from the steered vehicle wheels via the tie rods to the steering actuator is recorded and processed by detection units integrated in the suspension of the steering actuator.
  • the steering feel thus generated is thus a direct variable, which is formed from tie rod forces and torque on the steering handwheel. If the electronics or electric motor fails, the first hydraulic pump is connected to the piston / cylinder unit via the 4/2-way valve and the second hydraulic pump is separated from the piston / cylinder unit by two check valves. As a result, the first hydraulic motor can be driven manually via the steering handwheel and the vehicle can thereby be steered.
  • the single figure shows a schematic representation of an auxiliary power steering system according to the invention for motor vehicles.
  • ⁇ tem for motor vehicles consists of a steering actuator 1, which is connected to vehicle wheels 4 and 5 via track rods 2 and 3.
  • the tie rods 2 and 3 are firmly connected to one another via a connecting element 6.
  • the forces introduced via the vehicle wheels 4, 5 and the tie rods 2, 3 act directly through the connecting element 6 on fastening elements 7 and 8, which connect the steering actuator 1 to a body structure 9.
  • the fastening elements 7, 8 have detection units (not shown), for example in the form of strain gauges, which detect the forces which occur. With the help of these detected forces, a reaction is generated by a steering wheel actuator 10 on a steering handwheel 11 and thus gives the driver an artificially generated steering feeling that corresponds to the current driving situation.
  • the steering wheel actuator 10 is composed of a sensor unit 12, an electric motor 13, a hydraulic pump 14 and a mechanical assembly, not shown, consisting of a torsion bar spring and a gear, which is in operative connection with the steering handwheel 11.
  • the sensor unit 12 is used to record the steering angle and torque on the steering handwheel 11.
  • the steering actuator 1 is connected to an electric motor 15 and a hydraulic pump 16 via lines 17 and 18.
  • the hydraulic pump 16, which is driven by the electric motor 15, conveys pressure medium towards or away from the piston / cylinder unit 19.
  • drive state connects or disconnects a 4/2-way valve 20, the hydraulic pumps 14 and 16.
  • a central control unit 24 is connected via control lines to the electric motors 13 and 14, the sensor unit 12 on the steering handwheel 11, the 4/2-way valve 20, the check valves 21 and 22, the sensors integrated in the fastening elements 7 and 8, and a pressure sensor 25 and a position sensor 26 connected.

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Abstract

Hilfskraft-Lenksystem mit mindestens einem Lenkradaktuator (11) und mindestens einem Lenkaktuator (1) und einer hydraulischen Rückfallebene, bei der der Lenkaktuator (1) über Rückschlagventile (21, 22) ge- bzw. entsperrt werden kann.

Description

Hilfskraft-Lenksystem für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft ein Hilfskraft-Lenksystem für Kraftfahrzeuge nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Hilfskraft-Lenksysteme, die ohne mechanische Kopplung zwischen Lenkhandrad und gelenkten Fahrzeugrädern arbeiten, werden als steer-by-wire-Lenksysteme bezeichnet. Diese Hilfskraft-Lenksysteme weisen einen mit dem Lenkhandrad gekoppelten Lenkradaktuator auf, der sich beispielsweise aus Elektromotor, Lenkwinkel- und/oder Drehmomentsensor zusammensetzt. Dieser Lenkradaktuator ist über eine elek- tronische Regelung mit einem Lenkaktuator verbunden, der elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch arbeiten kann. Die Differenz zwischen einem vorgegebenen Soll-Wert und einem gemessenen Ist-Wert wird von einer Sensorik erfaßt und an ein Steuergerät übermittelt. Eine Elektronikeinheit berech- net dann aus diesem Signal und in Abhängigkeit von weiteren Faktoren wie z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbeschleunigung, Fahrbahnoberfläche und Beladungszustand ein erforderliches Hilfsmoment, das über den Lenkaktuator auf die zu lenkenden Räder des Kraftfahrzeuges übertragen wird. Um dem Fahrer Rückmeldung über den momentanen Fahrzustand übermitteln zu können, wird über den Lenkradaktuator ein entsprechendes Signal auf das Lenkhandrad übertragen, sodaß der Fahrer ein gleiches Lenkgefühl wahrnimmt, wie er es von herkömmlichen, mechanisch gekoppelten Hilfskraft- Lenksystemen gewohnt ist.
Aus der DE 196 15 544 Cl ist eine Fahrzeuglenkung bekanntgeworden, die nach dem Konzept „steer-by-wire* arbei- tet und ein hydraulisches Stellaggregat aufweist, welches über zwei separate Hydraulikkreise betätigt werden kann, die so miteinander vernetzt sind, daß Systemteile des einen Hydraulikkreises auch in dem anderen Hydraulikkreis verwen- det werden können. Dies wird durch umschaltbare Steuerventilaggregate bewerkstelligt, die elektromagnetisch gesteuerte Stellantriebe aufweisen.
Deren Stromversorgung übernimmt im Normalbetrieb die Fahrzeugbatterie, jedoch kann auch eine zusätzliche Stromver- sorgung vorgesehen werden.
Nachteilig an dem aus der DE 196 15 544 Cl bekanntgewordene Stand der Technik ist die Tatsache, daß relativ viele verschiedene Ventile im Fahrzeug räumlich weit von- einander getrennt untergebracht sind und deshalb aufwendig miteinander vernetzt werden müssen. Diese Vielzahl an verschiedenen Ventilen birgt ein hohes Ausfallrisiko.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Hilfskraft-Lenksystem darzustellen, bei dem mit möglichst wenigen, einfachen Ventilen alle erforderlichen Funktionen sicher dargestellt werden können. Weiterhin soll das Hilfskraft-Lenksystem eine Rückfallebene aufweisen, die es beim Ausfall der Fahrzeugelektronik ermöglicht, das Fahrzeug sicher zum Stillstand zu bringen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisendes, gattungsgemäßes Hilfskraft-Lenksystem für Kraftfahrzeuge gelöst.
Das erfindungsgemäße Hilfskraft-Lenksystem weist einen Lenkradaktuator auf, der zur Übertragung des vom Fahrer über ein Lenkhandrad aufgebrachten Lenkwunsches und zur Erzeugung eines Lenkgefühls als Rückmeldung für den Fahrer verwendet wird. Das Lenkhandrad ist durch ein drehelastisches Glied und ein Getriebe mit einem, vorzugsweise als Asynchronmotor ausgebildeten, Elektromotor verbunden. Als Getriebe können Planeten- oder Schneckengetriebe verwendet werden. Zusätzlich ist das Lenkhandrad mit einer reversierbaren Hydropumpe, die vorzugsweise als Zahnradpumpe ausgebildet ist, verbunden. Der Lenkradaktuator ist über eine Regelstrecke mit einem Lenkaktuator verbunden. Dieser Lenkaktuator besteht aus einer Kolben-/Zylinder-Einheit, die den über den Lenkradaktuator eingeleiteten Lenkwunsch des Fahrers an die zu lenkenden Räder des Kraftfahrzeuges weitergibt. Durch die Integration von Erfassungseinheiten in den Verbindungselementen von Lenkaktuator und Karosserieaufbau können auftretende Zug- und Druckkräfte, die über Spurstangen der gelenkten Fahrzeugräder auf den Lenkaktuator einwirken, direkt gemessen werden. Der Lenkaktuator kann somit z. B. mittels Kraftmeßbolzen am Karosserieaufbau befestigt werden, die die auftretenden Kräfte ohne Beeinflussung durch einwirkende Störsignale direkt erfassen können. Der Lenkaktuator ist mit einer weiteren reversierbaren Hydropumpe, die über einen Elektromotor und ein Getriebe angetrieben wird, verbunden. Diese zweite reversierbare Hydropumpe fördert ein Hydraulikmedium über Leitungen oder Schläuche in Druckräume der Kolben-/Zylinder-Einheit . Ein 4/2-Wegeventil verbindet beziehungsweise trennt die beiden Hydraulikkreise, abhängig vom jeweiligen Betriebszustand. So kann es bei einer Störung im steer-by-wire-Betrieb dazu kommen, daß die hydraulische Rückfallebene durch Verbinden einer ersten Hydropumpe mit der Kolben-/Zylindereinheit aktiviert wird. Beim aktivieren der hydraulischen Rückfallebene wird die zweite Hydropumpe, an deren Ausgängen entsperrbare Rückschlagventile angeordnet sind, vom Hydraulikkreis getrennt. Der Hydraulikkreis ist mit einem Speicher verbunden, der auftretende Leckagen kompensiert und den Hydraulikkreis unter konstanter Vorspannung hält. Ein am Lenkhandrad vorgegebener Lenkwinkel ist eine Eingangsgröße für den Lenkaktuator. Entsprechend dieser Vorgabe treibt der Elektromotor die Hydropumpe so lange an, bis sich eine dem gemessenen Lenkwinkel entsprechende Verschiebung der Kolben-/Zylinder-Einheit eingestellt hat. Die von den gelenkten Fahrzeugrädern über die Spurstangen auf den Lenkaktuator weitergeleitete Rückwirkung wird durch in der Aufhängung des Lenkaktuators integrierte Erfassungseinheiten aufgenommen und verarbeitet. Dadurch ergibt sich ein Drehmoment-Sollwert, der am Lenkra- daktuator eingestellt wird. Das dadurch erzeugte Lenkgefühl ist somit eine direkte Größe, die aus Spurstangenkräften und Drehmoment am Lenkhandrad gebildet wird. Beim Ausfall der Elektronik oder des Elektromotors wird die erste Hydropumpe über das 4/2-Wegeventil mit der Kolben-/ Zylinder-Einheit verbunden und die zweite Hydropumpe durch zwei Rückschlagventile von der Kolben-/Zylinder-Einheit getrennt. Dadurch kann der erste Hydromotor über das Lenkhandrad manuell angetrieben und dadurch das Fahrzeug gelenkt werden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung ist aber nicht auf die Merkmalskombinationen der Ansprüche beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung. Nachfolgend ist anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung prinzipgemäß beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hilfskraft-Lenksystems für Kraftfahrzeuge.
Ein erfindungsgemäßes Hilfskraft-Lenk? ~tem für Kraftfahrzeuge besteht aus einem Lenkaktuator 1, der über Spur- stangen 2 und 3 mit Fahrzeugrädern 4 und 5 verbunden ist. Die Spurstangen 2 und 3 sind über ein Verbindungselement 6 fest miteinander verbunden. Die über die Fahrzeugräder 4, 5 und die Spurstangen 2, 3 eingeleiteten Kräfte wirken durch das Verbindungselement 6 direkt auf Befestigungselemente 7 und 8, die den Lenkaktuator 1 mit einem Karosserieaufbau 9 verbinden. Die Befestigungselemente 7, 8 weisen nicht dargestellte Erfassungseinheiten, beispielsweise in Form von Dehnmeßstreifen auf, die die auftretenden Kräfte erfassen. Mit Hilfe dieser erfaßten Kräfte wird eine Rückwirkung durch einen Lenkradaktuator 10 auf ein Lenkhandrad 11 erzeugt und so dem Fahrer ein künstlich erzeugtes Lenkgefühl vermittelt, das der momentanen Fahrsituation entspricht. Der Lenkradaktuator 10 setzt sich aus einer Sensor-Einheit 12, einem Elektromotor 13, einer Hydropumpe 14 und einer nicht dargestellten mechanischen Baugruppe, bestehend aus einer Drehstabfeder und einem Getriebe, zusammen, der mit dem Lenkhandrad 11 in Wirkverbindung steht. Die Sensor- Einheit 12 dient zur Erfassung von Lenkwinkel und Drehmoment am Lenkhandrad 11. Der Lenkaktuator 1 ist über Leitun- gen 17 und 18 mit einem Elektromotor 15 und einer Hydropumpe 16 verbunden. Die Hydropumpe 16, der von dem Elektromotor 15 angetrieben wird, fördert Druckmedium hin zu oder weg von der Kolben-/Zylinder-Einheit 19. Abhängig vom Be- triebszustand verbindet oder trennt ein 4/2-Wegeventil 20 die Hydropumpen 14 und 16. Ausgangseitig der Hydropumpe 16 befinden sich entsperrbare Rückschlagventile 21 und 22, die im Falle einer Aktivierung der hydraulischen Rückfallebene die Hydropumpe 16 vom Hydraulikkreis trennen.
Der Hydraulikkreis wird durch einen Speicher 23 unter Vorspannung gehalten, um auftretende Leckagen zu kompensieren. Eine zentrale Steuereinheit 24 ist über Steuerleitungen mit den Elektromotoren 13 und 14, der Sensor-Einheit 12 am Lenkhandrad 11, dem 4/2-Wegeventil 20, den Rückschlagventilen 21 und 22, den in den Befestigungselementen 7 und 8 integrierten Sensoren, einem Drucksensor 25 und einem Lagesensor 26 verbunden.
Bezugszeichen
1 Lenkaktuator
2 Spurstange
3 Spurstange
4 Fahrzeugrad
5 Fahrzeugrad
6 Verbindungselement
7 Befestigungselement
8 Befestigungselement
9 Karosserieaufbau
10 Lenkradaktuator
11 Lenkhandrad
12 Sensor-Einheit
13 Elektromotor
14 Hydropumpe
15 Elektromotor
16 Hydropumpe
17 Leitung
18 Leitung
19 Kolben-/Zylinder-Einheit
20 4/2-Wegeventil
21 Rückschlagventil
22 Rückschlagventil
23 Speicher
24 zentrale Steuereinheit
25 Drucksensor
26 Lagesensor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Hilfskraft-Lenksystem mit mindestens einem Lenkra- daktuator (11) und mindestens einem Lenkaktuator (1) und einer hydraulischen Rückfallebene, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lenkaktuator (1) über eine Ventileinheit ge- bzw. entsperrt werden kann.
2. Hilfskraft-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ventileinheit aus Rückschlagventilen (21, 22) besteht.
3. Hilfskraft-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ventileinheit ein 4/2-Wegeventil aufweist.
4. Hilfskraft-Lenksystem nasch Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch Schalten der Rückschlagventile (21, 22) das Hilfskraft-Lenksystem in
Mittenstellung blockiert und so eine Mittenzentrierung für einen exakten Geradeauslauf erzeugt werden kann.
5. Hilfskraft-Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Erfassungseinrichtung zur Bestimmung der auftretenden Kräfte gleichzeitig zur Befestigung des Lenkaktuators (1) am Karosserieaufbau (9) verwendet wird.
EP00962471A 1999-09-16 2000-09-12 Hilfskraft-lenksystem für kraftfahrzeuge Withdrawn EP1212232A1 (de)

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