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Die Erfindung betrifft eine Servolenkung
eines nicht spurgebundenen Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
dessen gelenkte Fahrzeugräder über eine
Lenkgetriebeanordnung mit einer durch Handkraft betätigten Lenkhandhabe,
insbesondere einem Lenkhandrad, sowie mit einem Servomotor gekoppelt
sind, welcher in Abhängigkeit
von Maß und
Richtung der auf die Lenkhandhabe einwirkenden Handkraft steuerbar
ist.
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Mit Ausnahme sehr leichter Kraftfahrzeuge sind
heute praktisch alle Kraftfahrzeuge mit Servolenkungen ausgerüstet, so
dass der Fahrer Lenkmanöver
mit geringer Handkraft auszuführen
vermag. Die
EP 0 566
168 B1 zeigt eine als Zahnstangenlenkung ausgebildete Servolenkung,
bei der das mit der Zahnstange kämmende
Ritzel mit einer mit einem Lenkhandrad gekoppelten Welle begrenzt
drehelastisch verbunden ist, so dass bei Lenkmanövern begrenzte Relativdrehungen
zwischen dem Ritzel und der vorgenannten Welle in Abhängigkeit
von der am Lenkhandrad wirkenden Handkraft auftreten. Diese Relativdrehungen
werden zur handkraftabhängigen Steuerung
eines im Beispiel der
EP
0 566 168 B1 elektrischen Servomotors herangezogen.
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Aus der
DE 34 14 843 A1 ist eine
hydraulische Servolenkung bekannt, bei der das Lenkhandrad mit einer
Lenkspindel verbunden ist, die ihrerseits über einen Kugelumlauf mit einem
Kolben eines als doppeltwirkendes Kolben-Zylinder-Aggregat ausgebildeten
Hydraulischen Servomotors zwangsgekoppelt ist.
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Der Kolben wird bei Drehung der Spindel bzw.
des Lenkhandrades je nach Drehrichtung in der einen oder anderen
Richtung verschoben. Ein kolbenseitiges Verzahnungsteil kämmt mit
einem Zahnsegment eines Lenkstockhebels, der seinerseits zur Lenkverstellung
mit den lenkbaren Fahrzeugrädern verbunden
ist, so dass Hübe
des vorgenannten Kolbens analoge Lenkwinkeländerungen der gelenkten Fahrzeugräder bewirken.
Bei Drehungen der Lenkspindel führt
eine damit zusammenwirkende kolbenseitige Lenkmutter begrenzte Drehbewegungen
aus, so dass ein mit der Lenkmutter gekoppeltes Servoventil entsprechend
verstellt wird, über
das die beiden Stirnseiten des Kolbens mit unterschiedlichen Druckdifferenzen
beaufschlagt werden. Damit wirkt auf dem Kolben eine hydraulisch
erzeugte Servokraft, durch die die am Lenkhandrad bei Lenkmanövern aufzubringende
Handkraft vermindert wird.
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Die Lenkkinematik heutiger Fahrzeuglenkungen
ist oftmals so ausgebildet, dass bei niedrigen bis mittleren Fahrgeschwindigkeiten
nur äußerst geringe dynamische
Rückstellkräfte auftreten,
die die gelenkten Fahrzeugräder
bei Lenkverstellungen in ihre Geradeausstellung zurückzudrängen suchen.
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Aus diesem Grunde wurden bereits
Servolenkungen entwickelt, bei denen der Servomotor auch zu einer
aktiven Lenkrückstellung
eingesetzt wird.
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In diesem Zusammenhang ist es aus
der eingangs angegebenen
EP
0 566 168 B1 bekannt, den Servomotor immer dann zur Lenkrückstellung
anzusteuern, wenn das zwischen Ritzel und Lenkhandrad übertragene
Moment einen geringen Schwellwert unterschreitet bzw. verschwindet.
Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Lenkung automatisch in
ihre Geradeausstellung zurückgestellt
wird, wenn das Maß der
auf das Lenkhandrad ausgeübten
Handkraft einen geringen Schwellwert unterschreitet oder das Lenkhandrad
losgelassen wird.
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Im Beispiel der vorgenannten
DE 34 14 843 A1 steuert
der Lenkstockhebel ein zusätzliches
Proportionalventil, über
das das Servoventil mit einer hydraulischen Stellkraft beaufschlagt
werden kann, so dass dieses bei zunehmender Abweichung der gelenkten
Fahrzeugräder
von ihrer Geradeausstellung mit einer zur Lenkstellung der gelenkten
Fahrzeugräder
analogen Zusatz-Stellkraft belastet und entsprechend verstellt wird.
Im Ergebnis wird damit auf den Kolben des hydraulischen Servoaggregates
eine hydraulische Druckdifferenz ausgeübt, die den Kolben in seine
der Geradeausstellung der gelenkten Fahrzeugräder zugeordnete Lage drängt.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun,
das Rückstellverhalten
einer Servolenkung der eingangs angegebenen Art zu verbessern, wobei
insbesondere gewährleistet
sein soll, dass eine automatische Rückstellung nur bei entsprechendem
Rückstellwunsch
des Fahrers erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Sensorik zur Erfassung der Lenkwinkel der gelenkten Fahrzeugräder und/oder der
Stell- oder Drehhübe
der Lenkhandhabe oder des Lenkhandrades vorgesehen ist und der Servomotor von
einer mit der Sensorik zusammenwirkenden automatischen Steuerung
zur zumindest teilweisen aktiven Rückstellung der gelenkten Fahrzeugräder in deren
Geradeausstellung betätigbar
ist, wenn und/oder solange die Sensorik Änderungen des Lenkwinkels und/oder
der Stell- oder Drehhübe
in Richtung der Geradeausstellung erfaßt.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
eine aktive Lenkrückstellung
erst dann durchzuführen,
wenn der Fahrer eine Rückführung der
Lenkung in die Geradeauslage aktiv eingeleitet oder passiv hingenommen
hat.
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Des Weiteren nutzt die Erfindung
vorteilhaft die Tatsache, dass heutige Kraftfahrzeuge zur Erhöhung der
dynamischen Fahrstabilität
oftmals mit elektronischen Stabilitätssteuer systemen ausgerüstet sind,
die eine umfangreiche Sensorik aufweisen, welche vielfältige dynamische
Parameter, unter anderem auch die Lenkwinkel der gelenkten Fahrzeugräder bzw.
die Stell- oder Drehhübe
der Lenkhandhabe oder des Lenkhandrades erfassen. Damit stehen die
für die
erfindungsgemäße Lenkrückstellung
auszuwertenden Signale ohne weiteres zur Verfügung.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik eine den Stell-
oder Drehhub der Lenkhandhabe oder des Lenkhandrades erfassende
Sensoranordnung aufweist, die handhaben- bzw. handradseitig eines
elastischen Übertragungselementes
angeordnet ist, welches die Lenkhandhabe oder das Lenkhandrad mit
den gelenkten Fahrzeugrädern
koppelt.
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Das elastische Übertragungselement hat eine
Doppelfunktion. Einerseits ermöglicht
es eine von der an der Lenkhandhabe bzw. am Lenkhandrad wirkenden
Handkraft abhängige
Relativbewegung zwischen der der Lenkhandhabe bzw. dem Lenkhandrad
zugeordneten Seite und der den gelenkten Fahrzeugrädern zugehörigen Seite
des Übertragungselementes.
Damit kann diese Relativbewegung zur handkraftabhängigen Steuerung
des Servomotors bei Lenkmanövern
herangezogen werden. Andererseits bewirkt das elastische Übertragungselement
eine kleine Rückstellbewegung
der Lenkhandhabe bzw. des Lenkhandrades in Richtung der der Geradeausstellung
der gelenkten Fahrzeugräder zugeordneten
Lage, wenn die Lenkhandhabe bzw. das Lenkhandrad nach einer fahrerseitigen
Auslenkung in eine von der vorgenannten Lage entfernte Stellung
losgelassen wird. In diesem Fall kann dann die von dem elastischen Übertragungselement
bewirkte kleine Rückstellbewegung
der Lenkhandhabe oder des Lenkhandrades die automatische Rückstellung
der Lenkung in die Geradeausstellung einleiten.
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Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale
der Erfindung auf die Ansprüche
sowie die nachfolgende Erläuterung
der Zeichnung verwiesen, anhand der bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung näher
beschrieben werden. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, dass
Schutz nicht nur für
ausdrücklich
in den Ansprüchen
oder der Beschreibung oder der Zeichnung dargestellte Merkmalskombinationen
sondern auch für
prinzipiell beliebige Unterkombinationen beansprucht wird.
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In der Zeichnung zeigt
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1 eine
schematisierte Darstellung einer hydraulischen Servolenkung mit
erfindungsgemäßer aktiver
Rückstellung
und
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2 eine
schematisierte Darstellung einer elektrischen Servolenkung mit erfindungsgemäßer aktiver
Rückstellung.
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Ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug besitzt
lenkbare Räder 1,
die zu ihrer Lenkverstellung in grundsätzlich bekannter Weise über Spurstangen 2 mit
einer Zahnstange 3, die in Fahrzeugquerrichtung verschiebbar
angeordnet ist, gekoppelt sind. Die Zahnstange 3 kämmt mit
einem Ritzel 4, welches über eine Lenksäule 5 mit
einem Lenkhandrad 6 verbunden ist, so dass die Zahnstange 3 bei
Drehverstellung des Lenkhandrades 6 in Fahrzeugquerrichtung
verschoben und die gelenkten Fahrzeugräder 1 entsprechend
der Drehrichtung des Lenkhandrades 6 verstellt werden.
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Die Zahnstange 3 besitzt
einen als Kolbenstange eines doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Aggregates 7 ausgebildeten
Teil. Der Zylinder des Kolben-Zylinder-Aggregates 7 ist
im wesentlichen stationär
im Fahrzeug angeordnet, so dass der Kolben des Aggregates 7 zu
den Lenkwinkeländerungen
der gelenkten Fahrzeugräder 1 analoge
Hübe ausführt.
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Die beiden Seiten des Kolben-Zylinder-Aggregates 7 sind
mit zugeordneten Anschlüssen
eines als Proportionalventil ausge bildeten Servoventiles 8 verbunden,
welches des Weiteren einen mit der Druckseite einer Servopumpe 9 verbundenen
Anschluß sowie
einen mit einem ebenfalls als Proportionalventil ausgebildeten Steuerventil 10 verbundenen
Anschluss aufweist.
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In der dargestellten hydraulischen
Mittellage des Servoventiles 8 sind dessen Anschlüsse miteinander
im wesentlichen drosselfrei verbunden, so dass die mit dem Kolben-Zylinder-Aggregat 7 verbundenen
Anschlüsse
des Servoventils 8 immer gleiche Drücke haben. Wird das Servoventil 8 aus
der dargestellten Lage nach rechts oder links verschoben, tritt
bei arbeitender Servopumpe 9 zwischen den zum Kolben-Zylinder-Aggregat 7 führenden
Anschlüssen
des Servoventiles 8 eine mehr oder weniger große Druckdifferenz
in der einen oder anderen Richtung auf, so dass der Kolben des Kolben-Zylinder-Aggregates 7 mit
einer entsprechenden Druckdifferenz beaufschlagt und dementsprechend
mit mehr oder weniger großer
Kraft in die eine oder andere Richtung gedrängt wird.
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Die Verstellung des Servoventiles 8 erfolgt
in Abhängigkeit
von dem zwischen dem Lenkhandrad 6 und dem Ritzel 4 übertragenen
Drehmoment.
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Um dies zu ermöglichen, ist im dargestellten Beispiel
innerhalb der Lenksäule 5 nahe
des Ritzels 4 ein elastisches Übertragungselement 11 angeordnet,
beispielsweise in Form eines Torsionsstabes, so dass zwischen der
dem Lenkhandrad 6 zugeordneten Seite und der den gelenkten
Rädern 1 zugeordneten
Seite des Übertragungselementes 11 Relativdrehungen
in der einen oder anderen Richtung in Abhängigkeit von dem zwischen Lenkhandrad 6 und Ritzel 4 übertragenen
Drehmomenten auftreten. Das Maß der
Relativdrehungen wird durch spielbehafteten Formschluß zwischen
den beiden Seiten des Übertragungselementes 11 begrenzt.
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Die Relativdrehungen steuern in herkömmlicher
Weise das Servoventil 8, so dass das als Servomotor dienende
Kolben- Zylinder-Aggregat 7 im
Ergebnis eine das jeweilige Lenkmanöver unterstützende Servokraft erzeugt.
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Das Steuerventil 10 besitzt
zwei Anschlüsse, die
an zwei Kolbenarbeitsräume 12 und 13 angeschlossen
sind, deren Kolben mit dem Steuerorgan des Servoventils 8 verbunden
sind. Im Übrigen
besitzt das Steuerventil 10 neben dem mit dem Servoventil 8 verbundenen
Anschluss einen zu einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir 14 führenden
Anschluss.
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In der dargestellten Mittellage sind
alle Anschlüsse
des Steuerventiles 10 miteinander im wesentlichen drosselfrei
verbunden, so dass in den Kolbenarbeitsräumen 12 und 13 gleiche
hydraulische Drücke
vorliegen. Wird das Steuerventil 10 aus der dargestellten
Mittellage in der einen oder anderen Richtung verstellt, tritt bei
arbeitender Servopumpe 9, die einen vom Servoventil 8 zum
Steuerventil 10 führenden
Hydraulikstrom bewirkt, eine mehr oder weniger große Druckdifferenz
in der einen oder anderen Richtung zwischen den Kolbenarbeitsräumen 12 und 13 auf,
so dass das Servoventil 8 mit einer Stellkraft beaufschlagt
wird, die das Servoventil 8 in der einen oder anderen Richtung
zu verstellen sucht.
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Das Steuerventil 10 besitzt
nicht dargestellte elektromagnetische Stellorgane, die von einer
elektronischen Steuerschaltung 15 betätigt werden.
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Die Steuerschaltung 15 ist
eingangsseitig mit einem Drehwinkelgeber 16 verbunden,
durch den Drehbewegungen des Lenkhandrades 6 erfaßt werden.
Im Übrigen
kann die Steuerschaltung 15 mit weiterer Sensorik verbunden
sein, über
die verschiedene fahrdynamische Parameter, unter anderem z.B. die
Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, erfaßt werden. Dies ist schematisiert
durch einen Pfeil 17 angegeben.
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Die in 1 dargestellte
Lenkung arbeitet wie folgt:
Werden die gelenkten Fahrzeugräder 1 durch
fahrerseitige Betätigung
des Lenkhandrades 6 in einer Richtung verstellt, in der
sich die gelenkten Fahrzeugräder 1 von
ihrer Geradeausstellung entfernen, meldet der Drehwinkelgeber 16 eine
zunehmende Abweichung der Stellung des Lenkhandrades 6 von
der der Geradeausstellung der gelenkten Fahrzeugräder 1 zugeordneten
Stellung. In diesem Falle bleibt das Steuerventil 10 in
seiner dargestellten Mittellage bzw. wird in diese Mittellage gestellt.
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Dies hat zur Folge, dass das Servoventil 10 ausschließlich in
Abhängigkeit
von dem zwischen Lenkhandrad 6 und Ritzel 4 übertragenen
Drehmoment gesteuert wird und das Kolben-Zylinder-Aggregat 7 eine das
jeweilige Lenkmanöver
unterstützende Servokraft
erzeugt.
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Sobald der Drehwinkelgeber 16 eine
Drehbewegung des Lenkhandrades 6 zurück in dessen der Geradeausstellung
der gelenkten Fahrzeugräder 1 zugeordnete
Stellung meldet, steuert die Steuerschaltung 15 das Steuerventil 10 derart
an, dass zwischen den Kolbenarbeitsräumen 12 und 13 eine Druckdifferenz
auftritt, die das Servoventil 10 in eine Stellung zu drängen sucht,
in der das Kolben-Zylinder-Aggregat 7 eine die Rückstellung
der gelenkten Fahrzeugräder 1 in
deren Geradeausstellung unterstützende
Servokraft erzeugt.
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Die Steuerschaltung 15 kann
gegebenenfalls zusätzliche
Parameter berücksichtigen,
beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit. Damit kann beispielsweise
erreicht werden, dass die vorgenannte Verstellung des Steuerventiles 10 nur
bei geringen und/oder mittleren Fahrgeschwindigkeiten erfolgen kann.
Auf diese Weise lässt
sich beispielsweise berücksichtigen,
dass die gelenkten Fahrzeugräder 1 bei
höherer Fahrgeschwindigkeit
ohnehin eine mehr oder weniger ausgeprägte Tendenz zur Rückstellung
in die Geradeausstellung haben.
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Bei der Ausführungsform der 2 ist ein elektrischer Servomotor 18 vorgesehen,
welcher im dargestellten Beispiel direkt mit dem Ritzel 4 antriebsverbunden
ist.
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Die Steuerung des elektrischen Servomotors 18 erfolgt
mittels der elektronischen Steuerschaltung in Abhängigkeit
von der am Lenkhandrad 6 wirkenden Handkraft. Je nach Maß und Richtung
der Handkraft tritt zwischen den beiden Seiten des elastischen Übertragungselementes 11 eine
mehr oder weniger große
Relativverdrehung in der einen oder anderen Richtung auf. Diese
Relativverdrehung wird dann in ein elektrisches Signal umgesetzt,
welches die Handkraft repräsentiert.
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Außerdem erfaßt die Steuerschaltung 15 über den
Drehwinkelgeber 16 wiederum Drehwinkeländerungen des Lenkhandrades 6.
Damit kann die Steuerschaltung 15 wiederum erkennen, ob
das Lenkhandrad 6 eine Rücklenkbewegung in Richtung seiner
der Geradeausstellung der gelenkten Fahrzeugräder 1 zugeordneten
Stellung ausführt.
In einem solchen Falle wird der elektrische Servomotor 18 von
der Steuerschaltung 15 derart angesteuert, dass eine selbsttätige Rückstellung
der gelenkten Fahrzeugräder 1 in
die Geradeausstellung unterstützt.
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Abweichend von den zeichnerisch dargestellten
Ausführungsformen
kann grundsätzlich
auf das elastische Übertragungselement 11 vollständig verzichtet
werden. Auch bei einer solchen Anordnung kann die automatische Rückführung der
Lenkung in die Geradeausstellung durch eine Rücklenkbewegung des Lenkhandrades 6 (oder
einer sonstigen Lenkhandhabe) in Richtung der der Geradeausstellung
der gelenkten Fahrzeugräder 1 zugeordneten
Lage initiiert werden.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, die Lenksäule 5 mit
einer. gewissen Drehelastizität
auszubilden, so dass die Lenksäule 5 auch
die Funktion eines elastischen Übertragungselementes 11 übernimmt.
Wenn der Fahrer das Lenkhandrad 6 gegenüber der der Geradeaussstellung
der gelenkten Fahrzeugräder 1 zugeord neten
Lage nach rechts oder links dreht, werden die elastische Lenksäule 5 und/oder
das elastische Übertragungselement 11 entsprechend
der für
das jeweilige Lenkmanöver
notwendigen Handkraft verspannt. Sollte nun der Fahrer das Lenkhandrad 6 loslassen,
wird es aufgrund der vorgenannten elastischen Verspannung der Lenksäule 5 bzw.
des Übertragungselementes 11 einen geringfügigen Drehhub
in Richtung seiner der Geradeausstellung der gelenkten Fahrzeugräder 1 zugeordneten
Lage ausführen.
Dieser Drehhub in Rückstellrichtung
wird dann mittels des Drehwinkelgebers 16 von der Steuerschaltung 15 erkannt,
die daraufhin das Steuerventil 10 (vgl. 1) bzw. den elektrischen Servomotor 18 (vgl. 2) ansteuert, um eine selbsttätige Rückstellung
der Lenkung in die Geradeausstellung einzuleiten.
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Darüber hinaus kann auch eine fahrerseitig vorgenommene
Verstellung des Lenkhandrades 6 bzw. einer sonstigen Lenkhandhabe
in Rückstellrichtung
die automatische Rückstellung
der Lenkung in die Geradeausstellung durch die Steuerschaltung 15 initiieren.