DE102004027903B4

DE102004027903B4 - Hydraulische Lenkung mit geregelter Pumpe

Info

Publication number: DE102004027903B4
Application number: DE102004027903.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Stehli; Bernd Schiek; Gerd Speidel
Original assignee: ThyssenKrupp Presta Steertec GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Presta Muelheim GmbH
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: DE102004027903A1

Abstract

Hydraulische Servolenkung mit – einer Lenkhandhabe, insbesondere Lenkhandrad, sowie – damit zur Lenkverstellung zwangsgekoppelten lenkbaren Fahrzeugrädern und – einem mit den lenkbaren Fahrzeugrädern und/oder der Lenkhandhabe zwangsgekoppelten, hydraulisch doppelt-wirkenden Stellaggregat (1) mit zwei Arbeitsräumen (1a, 1b), – einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir (6), – einer Steuerventilanordnung mit zwei Druckminderventilen (3a, 3b; 23a, 23b), welche die Arbeitsräume (1a, 1b) mit der Auslaßseite einer Pumpe (4) zu verbinden gestattet, und – einem Sensor zur Erfassung von zwischen der Lenkhandhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern übertragenen Kräften bzw. Momenten, sowie – einer eingangsseitig mit dem Sensor verbundenen Steuervorrichtung (7), welche die Steuerventilanordnung in Abhängigkeit von den zwischen Lenkhandhabe und lenkbaren Fahrzeugrädern übertragenen Kräften bzw. Momenten derart betätigt, dass das Stellaggregat (1) eine Servokraft zur Verminderung einer an der Lenkhandhabe fühlbaren Handkraft erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) eine druck- und/oder durchflußgeregelte Pumpe ist, deren Volumenstrom unabhängig vom erzeugten Druck verändert bzw. eingestellt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße hydraulische Servolenkung ist aus der DE 197 33 032 C1 bekannt. Die aus der DE 197 33 032 C1 bekannte und in 1 dargestellte hydraulische Servolenkung benötigt zur Druckversorgung einen zusätzlichen Druckspeicher, welcher in Verbindung mit der elektrischen Ladepumpe und der Druckminderventile die erforderlichen Arbeitsdrücke in den Arbeitsräumen des Stellaggregats einregelt. Bzgl. der Funktion der einzelnen Komponenten sowie der Charakteristik der hydraulischen Lenkung wird auf die DE 197 33 032 C1 verwiesen.
Aus DE 27 42 621 A1 ist eine hydraulische Servolenkung mit einer Lenkhandhabe, zwangsgekoppelten lenkbaren Fahrzeugrädern, mit einem hydraulisch doppelwirkenden Stellaggregat, mit einer Steuerventilanordnung sowie mit einer Pumpe bekannt. Die Pumpe ist eine druckgeregelte Pumpe, deren Volumenstrom verändert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße hydraulische Servolenkung dahingehend zu erweitern, dass auf den Druckspeicher verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfinderisch mit einer hydraulischen Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt der Erfindungsgedanke zugrunde, dass durch den Einsatz einer druckgeregelten Servopumpe bzw. einer druck-/durchflußgeregelten Pumpe vorteilhaft auf den Druckspeicher verzichtet werden kann, wodurch die erfindungsgemäße hydraulische Servolenkung nicht nur kleiner baut, sondern auch weniger Teile aufweist und somit weniger störanfällig und leichter zu montieren ist.
Die druckgeregelte Servopumpe ist vorteilhaft eine regelbare Flügelzellenpumpe, welche sich durch einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Dynamik auszeichnet. Die Flügelzellenpumpe weist idR einen Hubring in exzentrischer Lage zum Rotor auf. Wird der Rotor mit den Flügeln gedreht, so vergrößern sich zunächst die Förderzellen, es entsteht ein Unterdruck. Das Druckmedium wird über einen Anschluß angesaugt. In der weiteren Drehung verkleinern sich die Förderzellen wieder, wonach das Medium über den Auslaß in die Druckleitung ausgeschoben wird. Erreicht der Druck in der Auslaßleitung den am Druckregler vorgegebenen Wert, so wird der Reglerkolben entlastet und die Pumpe regelt ab. Sinkt der Systemdruck wegen größeren Förderstrombedarfs unter den vorgegebenen Druckwert, so wird über den Reglerkolben die Exzentrizität des Hubringes zum Rotor vergrößert, wodurch die Pumpe aufregelt. Im abgeregelten Zustand nimmt die Flügelzellenpumpe lediglich ca. 1/5 ihrer Nennleistung bei maximaler Fördermenge auf, wodurch der Einsatz der regelbaren Flügelzellenpumpe zur vorteilhaften Reduzierung des Energiebedarfs der Lenkung beiträgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Solange keine Lenkunterstützung gefordert wird, liefert die Servopumpe lediglich den Systemdruck, wobei nur ein sehr geringer Volumenstrom zur Leckagekompensation fliest. Hierdurch ist vorteilhaft die Leistungsaufnahme sehr gering. Sobald vom Fahrer eine Lenkunterstützung angefordert wird, werden die Druckminderventile entsprechend angesteuert, wodurch ein benötigter Druck im jeweiligen Arbeitsraum des Stellaggregates eingeregelt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die elektromechanischen Druckminderventile durch vorgesteuerte Druckminderventile ersetzt. Der Volumenstrom zur Ansteuerung der Druckminderventile kann hierbei von einem Hydraulikventil, z. B. einem mechanischen Drehschieber oder einem Linearschieberventil, erzeugt werden. Um das Hydraulikventil mit einem konstanten Volumenstrom zu versorgen kann optional ein Strombegrenzungsventil im Zulauf des Hydraulikventils angeordnet werden. Dieser konstante Volumenstrom zur hydraulischen Betätigung des Hydraulikventils ist sehr viel kleiner als der zur Betätigung der Servolenkung benötigte Volumenstrom. Selbst bei Verwendung eines ”Open-Center”-Ventils ist der Energieverbrauch des Systems deutlich geringer als bei einer herkömmlichen ”Open-Center”-Lenkung, da der Steuervolumenstrom deutlich reduziert wurde.
Das vorteilhafte Vorsehen eines Servodrosselventil im Rücklauf der Druckminderventile erlaubt eine adaptive Dämpffunktion an unterschiedliche Fahrzustände durch Veränderung des Drosselquerschnitts. Eine Abschaltung dieser optionalen Funktion z. B. bei Tieftemperaturen ist möglich. Von der Fahrbahn erregte Störungen führen an der Zahnstange zu einem linearen Verschiebeweg. Der Kolben verdrängt dabei Öl, welches über die Tankleitung abgeführt wird. Das im Rücklauf angeordnete Servodrosselventil besitzt eine veränderliche Blende. In Abhängigkeit des Drosselquerschnitts und dem Volumenstrom bildet sich ein Differenzdruck, welcher zu einer Kraft im Zylinderraum des Stellaggregates führt und der Störung entgegenwirkt. Hierdurch wird das System vorteilhaft gedämpft. Durch Veränderung des Steuerstromes kann der Drosselquerschnitt und damit der Grad der Dämpfung beeinflußt werden.
Zur Verbesserung der Reglungsstrategie und Überwachung des Systemdrucks können mittels optionaler Drucksensoren die Drücke in den Arbeitsräumen überwacht bzw. ermittelt werden. Der Druckaufbau läßt sich so im Gegensatz zur Variante mit gesteuerten Ventilen beschleunigen und verbessert das Ansprechverhalten der Lenkung.
Wie bereits erwähnt, wird vorteilhaft eine regelbare Flügelzellenpumpe eingesetzt. Eine regelbare Flügelzellenpumpe kann heute bereits so konstruiert werden, dass sie im optimalen Betriebspunkt der Pumpe quasi keine innere Leckage hat. Nachteilig ist jedoch, dass die innere Leckage mit steigenden Arbeitsdrücken zunimmt. Bedingt durch die hohe innere Leckage bei hohe Drücken kann die Forderung nach minimaler bzw. geringer Leistungsaufnahme nicht erfüllt werden. Die Erfindung sieht jedoch vorteilhaft einen relativ niedrigen Betriebsdruck bei einem Fahrzustand vor, bei dem quasi keine oder nur eine geringe Lenkunterstützung benötigt wird. Typischerweise reicht bei den meisten Lenkmanövern ein Betriebsdruck von ca. 40 bar aus. Die Pumpe liefert daher stets einen Mindestdruck, so dass sich bei der erfindungsgemäßen Closed-Center-Lenkung minimale Ansprechzeiten ergeben, d. h. der benötigte Druck nicht erst durch das Anlaufen bzw. Hochfahren der Pumpe erzeugt werden muß. Auf diesen Mindestdruck von z. B. 40 bar ist die Pumpe hinsichtlich Leckage und Energieverbrauch hin zu optimieren, wobei der optimale Betriebspunkt nur bei einer geforderten stärkeren Lenkunterstützung verlassen wird. Somit ermöglicht die Erfindung vorteilhaft den Einsatz einer auf den niedrigen Betriebspunkt hinsichtlich der inneren Leckage optimierten Flügelzellenpumpe. Da Parkiervorgänge, welche idR die stärkste Lenkunterstützung erfordern, bezogen auf den Fahrzeugzyklus die Ausnahme bilden, kann der Energieverbrauch bzw. die innere Leckage der eingesetzten Pumpe im Bereich hoher Betriebsdrücke vernachlässigt werden bzw. die Energiebilanz und innere Leckage in allen anderen Betriebszuständen schlechter sein. Der angegebene Wert von 40 bar ist selbstverständlich vom Lenkungs- und Fahrzeugtyp abhängig.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen mögliche Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1: Eine hydraulische Lenkung nach dem Stand der Technik;
2: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Lenkung;
3: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Lenkung mit zusätzlichem ”open-center” Hydraulikventil;
4: eine hydraulischen Lenkung gem. 3 jedoch mit zusätzlichem ”closed-center” Hydraulikventil;
5: Funktionsdiagramm Innere Leckage/Betriebsdruck der eingesetzten Flügelzellenpumpe;
Gemäß 2 besitzt ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug mit nicht näher dargestellten lenkbaren Fahrzeugrädern zu deren Lenkverstellung eine Lenkhandhabe, welche über ein nicht dargestelltes Ritzel mit einer Zahnstange antriebsgekoppelt ist, deren Bewegungen über nicht dargestellte Spurstangen auf die vorgenannten lenkbaren Räder übertragen werden.
Die Zahnstange bildet einen Teil einer Kolbenstange 1c eines doppelt wirkenden hydraulischen Kolben-Zylinder-Aggregates 1, dessen beiden Arbeitsräume 1a und 1b jeweils separat über Antriebsleitungen 2a und 2b mit jeweils einem Druckminderventil 3a und 3b verbunden sind. Dabei handelt es sich jeweils um ein Druckminderventil mit Entlastung, d. h. die Druckminderventile 3a und 3b können die jeweilige Seite des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 einerseits über ein zwischengeschaltetes Rückschlagventil 5 mit der Druckseite einer Pumpe 4 oder mit einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir 6 verbinden. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform könnten die Druckminderventile auch so ausgeführt sein, dass sie in einer dritten Schaltposition die Arbeitsräume sowohl gegenüber der Druckseite der Pumpe 4 als auch gegenüber dem Hydraulikreservoir 6 absperren.
Die Druckminderventile 3a und 3b sind bezüglich ihres Druck-Sollwertes steuerbar, wie weiter unten näher erläutert wird.
Die Pumpe 4 ist saugseitig mit dem Hydraulikreservoir 6 verbunden. Die Pumpe 4 ist eine druckgeregelte Servopumpe, bei der der Volumenstrom unabhängig vom zu erzeugenden Druck verändert bzw. eingestellt werden kann. Die Servopumpe 4 liefert im Ruhezustand, wenn die Lenkung sich in der Mittenstellung befindet bzw. keine Lenkunterstützung gefordert wird, den Systemdruck, wobei nur ein geringer Volumenstrom zur Leckagekompensation fließt. Wird eine Lenkunterstützung benötigt, werden die Druckminderventile 3a und 3b entsprechend von der Steuereinheit 7 angesteuert und geöffnet, damit sich der benötigte Druck in den Arbeitsräumen 1a und 1b des Stellaggregates 1 einstellt. Durch das Öffnen eines der Druckminderventile 3a und 3b beginnt ein Volumenstrom zu fließen, wodurch der Systemdruck kurzzeitig absinkt. Dieser Druckabfall wird zur Steuerung der Pumpe 4 genutzt. Der Volumenstrom wird kurzfristig erhöht und stellt damit die Druckversorgung für die Druckminderventile und das Stellaggregat sicher. Die Hydraulikpumpe sollte mit maximalem Druck und minimalem Fördervolumen betrieben werden, wodurch die Leistungsaufnahme im Gegensatz zur Permanentpumpe reduziert und somit der Energieverbrauch gesenkt wird.
Die Steuereinheit 7 ist eingangsseitig mit einem nicht dargestellten Drehmomentensensor verbunden, welcher die an der Lenkhandhabe aufzubringende Handkraft erfaßt. Des weiteren kann die Steuereinheit 7 mit unterschiedlichen zusätzlichen Sensoren verbunden sein, bspw. mit einem Sensor für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges.
Zudem kann die Steuereinheit 7 die Signale optionaler Drucksensoren 15a und 15b zur Steuerung der Druckminderventile 3a und 3b verarbeiten. Die Drucksensoren 15a und 15b werden jedoch idR nicht benötigt, da die Druckminderventile 3a und 3b je nach erhaltenem Steuersignale einen definierten Druck zuverlässig in den Arbeitsräumen 1a und 1b einregeln.
Der nach Art eines Schiebers dargestellte Ventilkörper eines Druckminderventils 3a bzw. 3b wird vom hydraulischen Druck in der Anschlußleitung 2a bzw. 2b sowie der Kraft einer ersten Feder F in Richtung der die Anschlußleitung 2a bzw. 2b mit dem Hydraulikreservoir 6 verbindenden Ventilstellung gedrängt. Eine weitere Kraft, welche durch das Steuerorgan S steuerbar veränderlich ist, und die entgegengesetzt zur Federkraft der Feder F ist, sucht den Ventilkörper in dessen die Anschlußleitung mit der Druckseite der Pumpe 4 verbindende Stellung zu drängen. Im Ergebnis wird damit durch den hydraulischen Druck in der Anschlußleitung 2a bzw. 2b einerseits und der gesteuerten Kraft des Steuerorgans S die jeweilige Ventilstellung bestimmt. Steigt der Druck in der Anschlußleitung 2a bzw. 2b gegenüber der Kraft des Steuerorgans S hinreichend an, so wird der Ventilkörper in die in der 2 dargestellte Lage gestellt. Falls sich die hydraulischen Druckkräfte in der Anschlußleitung 2a bzw. 2b sowie die Federspannung der Feder F einerseits und die Kraft des Stellorgans S andererseits ausgleichen, nimmt das Ventil ebenfalls die Stellung gem. 2 ein. Falls dagegen die Kraft des Steuerorgans S überwiegt, geht das Ventil in die die Anschlußleitung 2a bzw. 2b mit der Druckauslaßseite der Pumpe 4 verbindende Stellung über.
Vorzugsweise ist das Steuerorgan S selbsthemmungsfrei ausgebildet, bspw. als Stellmagnet, so dass bei der Abschaltung des elektrischen Steuerstroms für das Steuerorgan S dieses keine Kraft mehr erzeugt, mit der Folge, dass die Feder F den Ventilkörper unabhängig vom hydraulischen Druck in der Anschlußleitung 2a bzw. 2b in die in 2 dargestellte Ventilposition stellt.
Zur Verbesserung der mechanischen Dämpfungsfunktion kann, wie in 2 dargestellt, im Rücklauf 12 zwischen den Druckminderventilen 3a und 3b und dem Hydraulikreservoir 6 ein Servodrosselventil 9 zwischengeschaltet sein. Die Steuereinheit 7 kann über die Signalleitung 10 und die Stelleinrichtung 8 den Drosselquerschnitt des Servodrosselventils 9 einstellen. Hierdurch ist eine Adaption der Dämpffunktion an unterschiedliche Fahrzustände möglich. Eine Abschaltung dieser Funktion ist optional bei Tieftemperaturen möglich.
An Stelle von elektromechanischer Druckminderventile können auch vorgesteuerte Druckminderventile verwendet werden. Die 3 und 4 zeigen derartige hydraulische Lenkungen. Bei diesen Lenkungen werden die Druckminderventile 23a und 23b über die hydraulischen Steuerleitungen 17a und 17b mittels des Hydraulikventils 16 bzw. 16' gesteuert. Das Hydraulikventil 16 bzw. 16' ist als Linearschieberventil dargestellt, dessen Ventilkörper von der Lenkhandhabe 21 verstellt wird. Das Hydraulikventil kann sowohl ein Ventil mit ”geöffneter Mitte” (open center, 3) oder auch als Ventil mit ”geschlossener Mitte” (closed center, 4) sein. Ein Ventil mit geschlossener Mitte ist aufgrund des geringeren Gesamtenergieverbrauchs idR zu bevorzugen.
Die 5 zeigt den Zusammenhang zwischen innerer Leckage und Betriebsdruck auf. Gemäß der Erfindung sollte die verwendete Pumpe so optimiert werden, dass der optimale Betriebspunkt der Pumpe mit dem Betriebsdruck zusammenfällt, welcher von der erfindungsgemäßen Lenkung die meiste Zeit über während des Lebenszyklus des Fahrzeuges benötigt wird. Dieser Betriebsdruck von ca. 40 bar reicht für die meisten lenkunterstützten Lenkmanöver aus. Wird einer höherer Betriebsdruck als der Druck im Betriebspunkt von der Lenkung gefordert, so steigt die innere Leckage der Flügelzellenpumpe und somit der Energieverbrauch an.

Claims

Hydraulische Servolenkung mit – einer Lenkhandhabe, insbesondere Lenkhandrad, sowie – damit zur Lenkverstellung zwangsgekoppelten lenkbaren Fahrzeugrädern und – einem mit den lenkbaren Fahrzeugrädern und/oder der Lenkhandhabe zwangsgekoppelten, hydraulisch doppelt-wirkenden Stellaggregat (1) mit zwei Arbeitsräumen (1a, 1b), – einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir (6), – einer Steuerventilanordnung mit zwei Druckminderventilen (3a, 3b; 23a, 23b), welche die Arbeitsräume (1a, 1b) mit der Auslaßseite einer Pumpe (4) zu verbinden gestattet, und – einem Sensor zur Erfassung von zwischen der Lenkhandhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern übertragenen Kräften bzw. Momenten, sowie – einer eingangsseitig mit dem Sensor verbundenen Steuervorrichtung (7), welche die Steuerventilanordnung in Abhängigkeit von den zwischen Lenkhandhabe und lenkbaren Fahrzeugrädern übertragenen Kräften bzw. Momenten derart betätigt, dass das Stellaggregat (1) eine Servokraft zur Verminderung einer an der Lenkhandhabe fühlbaren Handkraft erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) eine druck- und/oder durchflußgeregelte Pumpe ist, deren Volumenstrom unabhängig vom erzeugten Druck verändert bzw. eingestellt werden kann.
Hydraulische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckminderventile elektromechanische 3-Wege-Druckminderventile (3a, 3b) sind.
Hydraulische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckminderventile (23a, 23b) hydraulisch gesteuerte 3-Wege-Druckminderventile sind.
Hydraulische Servolenkung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydraulikventil (16, 16'), insbesondere ein mechanischer Drehschieber oder Linearschieberventil den Volumenstrom zur Ansteuerung der Druckminderventile (23a, 23b) erzeugt.
Hydraulische Servolenkung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der druckerzeugenden Pumpe (4) und dem Hydraulikventil (16, 16') ein Strombegrenzungsventil (18) zwischengeschaltet ist, und insbesondere die Lenkhandhabe (21) den Volumenstrom der Pumpe (4) auf Stellaggregat (1) und das Hydraulikventil (16, 16') verteilt.
Hydraulische Servolenkung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (16, 16') ein Ventil mit ”geöffneter Mitte” oder mit ”geschlossener Mitte” ist.
Hydraulische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rücklauf (12) zwischen den 3-Wege-Druckminderventilen (3a, 3b; 23a, 23b) und dem Reservoir (6) ein Servodrosselventil (9) zwischengeschaltet ist, wobei der Drosselquerschnitt von der Steuervorrichtung (7) gesteuert oder eingeregelt wird.
Hydraulische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Drucksensoren (15a, 15b) den Druck in den Arbeitsräumen (1a, 1b) des Stellaggregats (1) ermitteln, und die Signale der Drucksensoren (15a, 15b) Eingangssignale für die Steuervorrichtung (7) sind.
Hydraulische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) eine regelbare Flügelzellenpumpe ist.
Hydraulische Servolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) auf einen minimalen Arbeitsdruck hinsichtlich Energieverbrauch und/oder innerer Leckage optimiert ist, wobei der minimale Arbeitsdruck dem Druck entspricht, welcher für die überwiegende Zahl von Lenkmanövern des Lebenszyklus des Kraftfahrzeuges benötigt wird.