DE10048697A1 - Steer-by-Wire-Lenkanlage mit Zahnstangen-Hydrolenksteller - Google Patents

Abstract

Es wird eine Steer-by-Wire-Lenkanlage vorgeschlagen, bei dem der Lenksteller elektromotorisch angetrieben und zusätzlich hydraulisch unterstützt wird. Beim Betrieb der Rückfallebene treibt eine mit dem Lenkrad verbundene Hydropumpe den Lenksteller an. Dadurch kann eine Steer-by-Wire-Lenkanlage bereitgestellt werden, die hinsichtlich des benötigten Einbauraums vorteilhaft ist. Außerdem können viele an sich bekannte Bauteile und Baugruppen verwandt werden, um die erfindungsgemäße Steer-by-Wire-Lenkanlage zu realisieren.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Steer-by-Wire-Lenkanlage für Fahrzeuge, mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit des Fahrerlenkwunsches geregelten hydraulischen Lenksteller, mit einer Druckölpumpe und mit einem Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad übertragenden Feedback-Aktuator.

Im Gegensatz zu konventionellen Lenkungen ist bei Steer-by- Wire-Lenkanlagen die Stellung der gelenkten Räder nicht direkt mit dem Lenkrad gekoppelt. Der Fahrerlenkwunsch wird von einem Lenkradsensor abgegriffen, ggf. modifiziert. In Abhängigkeit des modifizierten Fahrerlenkwunsches wird über einen Lenksteller die Stellung der gelenkten Räder geregelt. Bei diesen Lenkanlagen können sowohl der Fahrkomfort als auch die Fahrstabilität des Fahrzeugs gegenüber konventionellen Lenkungen weiter erhöht werden. Allerdings ist in jedem Fall eine Rückfallebene vorzusehen, die bei Ausfall der Steer-by-Wire-Lenkanlage eine sichere Übertragung des Fahrerlenkwunsches gewährleistet. Dies wird in der Regel dadurch realisiert, dass zwischen Lenkgetriebe und Lenkrad eine Kupplung vorgesehen wird, die im Steer-by- Wire-Betrieb geöffnet ist und durch deren Einrücken eine mechanische Lenkung, nachfolgend als Rückfallebene bezeichnet, aktiviert wird.

Eine Lenkanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE PS 198 05 015 bekannt. Nachteilig an dieser Lenkanlage ist, dass eine mechanische Rückfallebene erforderlich ist. Diese mechanische Rückfallebene verbindet über eine konventionelle Lenksäule das Lenkrad über ein Lenkgetriebe mit den gelenkten Rädern. Parallel dazu gibt es einen hydraulischen Lenksteller, welcher in Abhängigkeit des Fahrerlenkwunsches von einer Druckölpumpe angetrieben wird. Angesteuert wird der hydraulische Lenksteller durch ein kompliziert aufgebautes Regelventil, welches Betrag und Richtung des in den Lenksteller strömenden Hydraulikfluids regelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Steer-by-wire- Lenksystem bereitzustellen, dessen Bauteile zum Großteil an sich bekannte und bewährte Bauteile sind und das größere Freiheiten beim Einbau des erfindungsgemäßen Lenksystems in verschiedene Fahrzeugtypen gewährt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steer- by-Wire-Lenkanlage für Fahrzeuge, mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit des Fahrerlenkwunsches geregelten hydraulischen Lenksteller, mit einer Druckölpumpe, mit einem Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad übertragenden Feedbackaktuator, wobei eine vom Lenkrad angetriebene Hydropumpe vorhanden ist, im Steer-by-Wire-Betrieb der Lenksteller elektromotorisch angetrieben und hydraulisch unterstützt wird, wobei die hydraulische Unterstützung des Lenkstellers von einem elektromotorisch angetriebenen Drehstabventil gesteuert wird und wobei beim Betrieb der Rückfallebene der Lenksteller von der Hydropumpe angetrieben wird.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Steer-by-Wire-Lenkanlage kann auf eine Lenksäule verzichtet werden, so dass der Einbauort des Lenkstellers und der Lenksäule völlig unabhängig voneinander sind. Die Kopplung von Lenkrad und Lenksteller erfolgt beim Betrieb der Rückfallebene über hydraulische Leitungen. Dadurch können rechts- und linksgelenkte Fahrzeuge mit baugleichen erfindungsgemäßen Lenkanlagen ausgestattet werden. Des Weiteren hat die Verwendung eines an sich bekannten Drehstabventils zur Steuerung des Lenkstellers den Vorteil, dass Drehstabventile seit Jahrzehnten bewährt sind. Außerdem fallen keine Entwicklungskosten für die Entwicklung eines neuartigen Regelventils an.

Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass im Steer- by-wire-Betrieb der Lenksteller und die Druckölpumpe hydraulisch in Verbindung stehen und dass die Hydropumpe kurzgeschlossen ist und/oder, dass beim Betrieb der Rückfallebene der Lenksteller und die Hydropumpe hydraulisch in Verbindung stehen, und dass die Druckölpumpe kurzgeschlossen ist, so dass je nach Betriebsart der Lenksteller Teil der Steer-by-Wire-Lenkanlage oder der Rückfallebene ist. Außerdem wird verhindert, dass im Steer­ by-wire-Betrieb die Hydropumpe den Lenkbewegungen des Fahrers einen Widerstand entgegensetzt.

Bei weiteren Ergänzungen der Erfindung sind Hydropumpe, Lenksteller und Druckölpumpe durch hydraulische Leitungen verbunden, erfolgt die Umschaltung zwischen Steer-by-Wire- Betrieb und dem Betrieb der Rückfallebene durch Schaltventile und/oder sind die Schaltventile beim Betrieb der Rückfallebene stromlos, so dass auf einfache und sichere Weise der Übergang von einer Betriebsart zur anderen gewährleistet ist.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass Lenksteller und Drehstabventil von einem ersten Elektromotor angetrieben werden, so dass beim Steer-by- Wire-Betrieb die Steuerarbeit nur teilweise von einem ersten Elektromotor aufgebracht werden muss und der erste Elektromotor gleichzeitig mit der Steuerbewegung über das Drehstabventil die hydraulische Unterstützung des Lenkstellers regelt. Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Lenksteller und Drehstabventil zu einem hydraulisch unterstützten Lenkgetriebe, insbesondere einem Zahnstangen-Hydro-Lenkgetriebe, zusammengefasst, so dass eine kompakte Bauweise erreicht wird und außerdem auf ein an sich bekanntes Bauteil zurückgegriffen werden kann.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Hydropumpe ein Servostat einer an sich bekannten hydrostatischen Lenkung ist, so dass auch bei diesem Bauteil auf an sich bekannte und bewährte Bauteile zurückgegriffen werden kann. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung und deren Beschreibung entnehmbar.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Die Zeichnung zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steer-by-Wire- Lenkanlage.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Aufgabe jeder Lenkanlage ist es, den durch Verdrehen eines Lenkrads 1 geäußerten Fahrerlenkwunsch auf die gelenkten Räder 3 eines nicht dargestellten Fahrzeugs zu übertragen.

Bei Steer-by-Wire-Lenkanlagen geschieht diese Übertragung indirekt, indem der Fahrerlenkwunsch von einer drehfest mit dem Lenkrad 1 verbundenen Lenksäule 4 mittels eines Lenkraddrehwinkelsensors 5 abgenommen wird. Die Stellung der gelenkten Räder 3 wird von einem Lenkdrehwinkelsensor 7 erfasst. Das Ausgangssignal des Lenkraddrehwinkelsensors 5 wird zusammen mit anderen Größen wie Gier-Rate, Stellung der gelenkten Räder 3, Fahrzeuggeschwindigkeit und anderem mehr in einem Steuergerät 6 verarbeitet.

Das Steuergerät 6 steuert einen oder mehrere mittelbar oder unmittelbar auf die gelenkten Räder 3 wirkenden Lenksteller 8 an. Der Lenksteller 8 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Zahnstangen-Hydrolenkgetriebe mit einem Lenkgetriebe 9 und einem Arbeitszylinder 10 ausgeführt.

Das Lenkgetriebe 9 wird von einem ersten Elektromotor 11, der vom Steuergerät 6 gesteuert wird, angetrieben. Das Antriebsmoment des ersten Elektromotors 11 wird über ein Drehstabventil 12 geleitet, welches in Abhängigkeit vom übertragenen Antriebsmoment den Arbeitszylinder 10 ansteuert. Das diesem Ausführungsbeispiel zugrunde liegende Lenkgetriebe 8 ist ein an sich bekanntes Zahnstangen- Hydrolenkgetriebe, wie es auch bei konventionellen hydraulisch unterstützten Servolenkungen eingesetzt wird. Ein Unterschied besteht darin, dass das Lenkgetriebe 9 nicht von der Lenksäule, sondern vom ersten Elektromotor 11 angetrieben wird.

Der Arbeitszylinder 10 ist über hydraulische Leitungen 13 mit dem Drehstabventil 12 verbunden. Das Drehstabventil 12 wiederum ist mit einer Druckölpumpe 14 und einem ersten Reservoir 15 verbunden.

Zwischen Drehstabventil 12 und Arbeitszylinder 10 ist ein erstes 2/2-Schaltventil 16 vorhanden. In der ersten, in der Zeichnung dargestellten Schaltstellung verbindet das erste Schaltventil 16 den Arbeitszylinder 10 mit dem Drehstabventil 12. In der zweiten Schaltstellung trennt das erste Schaltventil 16 diese Verbindung. Das erste Schaltventil 16 wird vom Steuergerät 6 angesteuert.

Um im Steer-by-Wire-Betrieb eine Rückwirkung von der Fahrbahn auf das Lenkrad 1 übertragen zu können, ist ein Feedback-Aktuator 17 drehfest mit der Lenksäule 4 und damit auch mit dem Lenkrad 1 verbunden. Der Feedback-Aktuator 17 besteht im Wesentlichen aus einem zweiten Elektromotor 18 und einem Getriebe 19. Der Lenkraddrehwinkelsensor 5 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an der Welle des zweiten Elektromotor 18 angeordnet. Gesteuert wird der Feedback-Aktuator 17 ebenfalls vom Steuergerät 6.

An der Lenksäule 4 ist zusätzlich eine Hydropumpe 20 angeordnet, die vom Lenkrad 1 angetrieben wird. Die Hydropumpe 20 kann ein herkömmlicher Servostat mit Speisepumpe und Steuerventil einer hydraulischen Hilfskraftlenkung sein. Über hydraulische Leitungen 21 ist die Hdropumpe 20 mit dem Arbeitszylinder 10 verbunden. Diese Verbindung kann, wie in der Zeichnung dargestellt, durch ein zweites 2/2-Schaltventil 22 unterbrochen werden. In der gezeigten Schaltstellung ist die Hydropumpe 20 kurzgeschlossen.

Die Leitungen 21 sind mit einem zweiten Reservoir 23 und einem Drucksensor 24 verbunden. Die Signalverbindung zwischen Steuergerät 6 und den Sensoren 5, 7 und 24 sowie den von ihm angesteuerten Baugruppen 11, 16, 17, 22 und erfolgt über gestrichelt dargestellte Signalleitungen 25.

In der Zeichnung ist der Steer-by-Wire-Betrieb dargestellt. Der Lenksteller 8 wird vom ersten Elektromotor 11 betätigt.

Unterstützt wird die Stellbewegung von dem Arbeitszylinder 10. Der Arbeitszylinder 10 wird von der Druckölpumpe 14 mit Hydraulikflüssigkeit versorgt und vom Drehstabventil 12 gesteuert. Die Hydropumpe 20 ist kurzgeschlossen und die Rückwirkungen von der Fahrbahn auf die gelenkten Räder 3 werden über den Feedback-Aktuator 17 auf das Lenkrad 1 übertragen.

Beim Betrieb der Rückfallebene werden erstes Schaltventil 16 und zweites Schaltventil 22 umgeschaltet, so dass die Hydropumpe 20 den Arbeitszylinder 10 antreibt. Die Druckölpumpe 14 fördert in das erste Reservoir 15. Die Rückfallebene ist somit als hydrostatische Lenkung ausgeführt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn erstes und zweites Schaltventil 16 und 22 stromlos in den Betrieb der Rückfallebene schalten.

Die Verwendung eines konventionellen Zahnrad- Hydrolenkgetriebes als Lenksteller 8 erlaubt es, eine bewährte und ausgereifte Technik auch bei Steer-by-Wire- Lenkanlagen einzusetzen. Somit werden Entwicklungskosten in erheblichem Umfang eingespart und die Typenvielfalt verringert.

Durch den Verzicht auf ein mechanisches Lenkgetriebe ergeben sich große Freiheiten bei der räumlichen Anordnung der Bauteile des erfindungsgemäßen Lenksystems. Dies ist ein weiterer Vorteil, der insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen von Bedeutung ist. Außerdem können rechtsgelenkte und linksgelenkte Fahrzeuge mit identischen Bauteilen realisiert werden.

Alle in der Beschreibung, der Zeichnung und deren Beschreibung sowie den Patentansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (9)

1. Steer-by-Wire-Lenkanlage für Fahrzeuge, mit einem auf die gelenkten Räder (3) wirkenden, in Abhängigkeit des Fahrerlenkwunsches geregelten hydraulischen Lenksteller (8), mit einer Druckölpumpe (14), mit einem Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad (1) übertragenden Feedback- Aktuator (17), dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Lenkrad (1) angetriebene Hydropumpe (20) vorhanden ist, dass im Steer-by-Wire-Betrieb der Lenksteller (8) elektromotorisch und angetrieben und hydraulisch unterstützt wird, dass die hydraulische Unterstützung des Lenkstellers (8) von einem elektromotorisch angetriebenen Drehstabventil (12) gesteuert wird, und dass beim Betrieb der Rückfallebene der Lenksteller (8) von der Hydropumpe (20) angetrieben wird.

2. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Steer-by-Wire-Betrieb der Lenksteller (8) und die Druckölpumpe (14) hydraulisch in Verbindung stehen, und dass die Hydropumpe (20) kurzgeschlossen ist.

3. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Rückfallebene der Lenksteller (8) und die Hydropumpe (20) hydraulisch in Verbindung stehen, und dass die Druckölpumpe (14) kurzgeschlossen ist.

4. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hydropumpe (20), Lenksteller (8) und Druckölpumpe (14) durch hydraulische Leitungen (13, 21) verbunden sind, und dass die Umschaltung zwischen Steer-by-Wire-Betrieb und dem Betrieb der Rückfallebene durch Schaltventile (16, 22) erfolgt.

5. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltventile (16, 22) beim Betrieb der Rückfallebene stromlos sind.

6. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lenksteller (8) und Drehstabventil (12) von einem ersten Elektromotor (11) angetrieben werden.

7. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lenksteller (8) und Drehstabventil (12) zu einem hydraulisch unterstützten Lenkgetriebe (9) zusammengefasst sind.

8. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (9) ein Zahnstangen- Hydrolenkgetriebe ist.

9. Steer-by-Wire-Lenkanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydropumpe (20) ein Servostat einer an sich bekannten hydrostatischen Lenkung ist.