DE19824914C2 - Servolenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einer zur Lenkverstellung mit lenkbaren Fahrzeugrädern über eine Lenkgetriebeanordnung zwangsgekoppelten Lenkhand­ habe, insbesondere Lenkhandrad, sowie einem mit dem Lenkge­ triebe antriebsmäßig gekoppelten Servoaggregat, welches in Abhängigkeit von zwischen der Lenkhandhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern übertragenen Kräften sowie weiteren Parame­ tern zur Erzeugung einer Servokraft betätigbar ist, die an der Lenkhandhabe bei Lenkmanövern aufzubringende Handkräfte vermindert.

Derartige Servolenkungen sind heute bei praktisch allen Kraftfahrzeugen Standard.

Bei üblichen hydraulischen Servolenkungen wird in Abhängig­ keit von den zwischen der Lenkhandhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern wirksamen Lenkkräften eine mehr oder weniger große Relativverstellung zwischen zwei Lenkgetriebeteilen bewirkt, die miteinander mit begrenzter Relativbeweglich­ keit, federnd verbunden sind. Die von den Lenkkräften abhän­ gige Relativbewegung der vorgenannten Lenkgetriebeteile steuert ein Servoventil, über das ein hydraulischer Servomo­ tor, in der Regel ein doppeltwirkendes Kolben-Zylinder- Aggregat, mit einer mehr oder weniger großen Druckdifferenz in der einen oder anderen Richtung beaufschlagt werden kann.

Außerdem sind elektrische Servolenkungen bekannt. Dort wer­ den mittels entsprechender Sensoren die zwischen der Lenk­ handhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern wirksamen Lenk­ kräfte erfaßt und der Eingangsseite einer elektronischen Steuereinheit zugeführt, welche ausgangsseitig einen elek­ trischen Servomotor steuert.

Aus der EP 0 150 589 A1 ist eine elektronisch geregelte elektrische Servolenkung bekannt, deren Sensorik einerseits die vom Fahrer an der Lenkhandhabe aufgebrachten Handkräfte und andererseits die vom elektrischen Servomotor erzeugten Servokräfte erfaßt. Dabei werden die Sollwerte für die Ser­ vokräfte so vorgegeben, daß die vom Fahrer aufzubringenden Handkräfte weitestgehend unabhängig vom Straßenzustand blei­ ben.

In der US 5 541 841 wird eine weitere elektronisch geregelte Servolenkung beschrieben. Nach dieser Druckschrift ist vor­ gesehen, die jeweils erzeugten Servokräfte oberhalb eines Schwellwertes der Fahrgeschwindigkeit zu vermindern, so daß die Lenkung bei höherer Geschwindigkeit des Fahrzeuges ver­ gleichsweise schwergängig wird. Durch entsprechende Sensorik kann das Lenksystem Fahrzustände, die einer stationären Kreisfahrt nahekommen, erkennen. Sollte nun ein solcher Zu­ stand, etwa aufgrund einer langgezogenen Autobahnkurve, bei höherer Fahrgeschwindigkeit auftreten, wird die an sich für hohe Fahrgeschwindigkeit vorgesehene Verminderung der Servo­ kräfte teilweise rückgängig gemacht, so daß die Lenkung leichtgängiger und die notwendige Handkraft bei stationärer Kreisfahrt trotz der höheren Geschwindigkeit relativ gering wird.

Die DE 42 32 256 A1 betrifft ein Lenksystem, welches einen automatischen Lenkeingriff zum Ausgleich von Störkräften ausführen kann, die auf das Fahrzeug einwirken. Dazu ist vorgesehen, daß im Lenksystem Kräfte automatisch erzeugt werden, die eine Lenkverstellung, bei der die Giergeschwin­ digkeit und Querbeschleunigung des Fahrzeuges vermindert wird, erleichtern.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei einer Servolenkung mit Zwangskopplung zwischen Lenkhandhabe und gelenkten Fahr­ zeugrädern einen deutlich erhöhten Komfort zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Lang­ zeit-Lenkmomente, welche durch eine annähernd stationäre Querbeschleunigung des Fahrzeuges und/oder Seitenwind und/oder Seitwärtsneigung (Wanklage) des Fahrzeuges bewirkt werden und bei denen der Fahrer die Lenkhandhabe gegen Rück­ stellkraft in einer weitestgehend gleichbleibenden Stellung halten muß, zumindest teilweise vom Servoaggregat derart kompensiert werden, daß diese gleichbleibende Stellung einer Lenkstellung entspricht, die die Lenkung bei freigegebener Lenk­ handhabe einzunehmen sucht.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dem Fah­ rer die Lenkarbeit in Fahrsituationen mit Langzeit- Lenkmomenten bzw. Langzeit-Störkräften deutlich zu erleich­ tern, beispielsweise dann, wenn die Fahrbahn auf längerer Strecke eine Seitwärtsneigung aufweist, ein weitestgehend gleichförmiger Seitenwind längere Zeit auftritt oder langge­ zogene Bögen bzw. Kurven mit gleichbleibendem Radius durch­ fahren werden, d. h. angenähert der Zustand einer stationären Kreisfahrt vorliegt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anord­ nung kann bei den vorgenannten Fahrsituationen gegebenen­ falls vermieden werden, daß der Fahrer die Lenkhandhabe bzw. das Lenkhandrad für eine vergleichsweise lange Zeit gegen vergleichsweise große Rückstellkräfte in einer weitestgehend gleichbleibenden Stellung halten muß.

Im Ergebnis verhält sich die Lenkung etwa so, als ob die je­ weils für längere Zeit einzuhaltende Lenkstellung die Aus­ gangslage wäre, die die Lenkung bei freigegebener Lenkhand­ habe und fahrendem Fahrzeug einzunehmen sucht.

Eventuell erforderliche Lenkkorrekturen erfordern dann ähn­ liche Handkräfte, wie sie der Fahrer im Falle von Lenkkor­ rekturen bei normaler Geradeausfahrt gewöhnt ist.

Um die verschiedenen Ursachen von Langzeit-Lenkmomenten un­ terscheiden zu können, sind verschiedene Sensoren zweckmäßig.

Der Zustand einer stationären Kreisfahrt kann aus den Dreh­ zahlen der Fahrzeugräder ermittelt werden. Diese Drehzahlen werden bei Fahrzeugen, deren Bremssysteme mit einer Antibloc­ kierregelung versehen sind, regelmäßig erfaßt.

Zusätzlich kann gegebenenfalls das Signal eines Lenkwinkel- Sensors ausgewertet werden.

Eine eventuelle Seitwärtsneigung des Fahrzeuges sowie eine Querbeschleunigung des Fahrzeuges können durch Registrierung der Bewegungen einer in Fahrzeugquerrichtung beweglichen Trägheitsmasse oder eines Trägheitspendels erfaßt werden, da die träge Masse sowohl bei Kurvenfahrt als auch bei Seit­ wärtsneigung des Fahrzeuges eine Seitwärtsbewegung auszufüh­ ren sucht. Wenn nun gleichzeitig über die Raddrehzahlen er­ mittelt wird, ob eine Kurvenfahrt oder eine zumindest angenä­ herte Geradeausfahrt vorliegt, läßt sich ermitteln, ob die vorgenannten Bewegungen der Trägheitsmasse allein auf einer Seitwärtsneigung des Fahrzeuges beruhen oder zumindest teil­ weise durch Kurvenfahrt verursacht wurden.

Gegebenenfalls kann das Fahrzeug auch einen Giersensor auf­ weisen, welcher unabhängig von den die Raddrehzahlen wieder­ gebenden Signalen Drehungen des Fahrzeuges um seine Hochachse erfaßt. Auch damit läßt sich unterscheiden, ob eine Querbewe­ gung der Trägheitmasse auf einer Querbeschleunigung oder ei­ ner Seitwärtsneigung des Fahrzeuges beruht.

Giersensoren und/oder Trägheitspendel od. dgl. sind bei sol­ chen Fahrzeugen ohnehin vorhanden, die mit elektronischen Stabilisierungssystemen ausgerüstet sind, welche in kriti­ schen Fahrmanövern durch Abbremsung einzelner Räder das Fahr­ zeug zu stabilisieren suchen.

Für die Erfindung können also vorteilhafterweise im Fahrzeug aus anderen Gründen bereits vorhandene Sensoren herangezogen werden.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird.

Dabei zeigt die einzige Figur eine stark schematisierte Draufsicht auf ein Fahrzeug mit erfindungsgemäßer Lenkung, welche schaltplanartig dargestellt ist.

Ein im übrigen nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug be­ sitzt in üblicher Weise unlenkbare Hinterräder 1 und lenkbare Vorderräder 2, die durch ein Lenkhandrad 3 gesteuert werden. Dazu ist das Lenkhandrad 3 im dargestellten Beispiel über ei­ ne Lenkwelle 4 und ein damit drehfest verbundenes Ritzel 5 mit einer Zahnstange 6 antriebsmäßig zwangsgekoppelt, die ih­ rerseits über Spurstangen 7 mit den Vorderrädern 2 zu deren Lenkverstellung verbunden ist. Wenn das Lenkhandrad 3 nach rechts eingeschlagen wird, wird die Zahnstange 6 in Fahr­ zeugquerrichtung nach links verschoben, so daß die Vorderrä­ der 2 entsprechend dem Drehwinkel des Lenkhandrades 3 nach rechts eingeschlagen werden. Entsprechendes gilt für eine Drehung des Lenkhandrades 3 nach links.

Die Lenkwelle 4 bzw. das Ritzel 5 sind mit einem selbsthem­ mungsfreien elektrischen Servomotor 8 antriebsmäßig verbun­ den, welcher von einer elektronischen Steuerschaltung 9 betä­ tigt wird, mit deren Ausgangsseite der Servomotor 8 elek­ trisch verbunden ist.

Die Steuerschaltung 9 ist eingangsseitig mit einem Sensor 10 verbunden, welcher die vom Fahrer am Lenkhandrad 3 aufge­ brachte Handkraft erfaßt, beispielsweise indem der Sensor 10 auf das zwischen Lenkhandrad 3 und Lenkwelle 4 wirksame Drehmoment reagiert.

Außerdem ist die Eingangsseite der Steuerschaltung 9 mit den Fahrzeugrädern 1 und 2 zugeordneten Drehzahlsensoren 11 ver­ bunden. Durch Auswertung der zwischen kurvenäußeren und kur­ veninneren Rädern auftretenden Drehzahldifferenzen kann damit die Steuerschaltung 9 den jeweiligen Kurvenradius erfassen (wenn die Räder mit hinreichend geringem Schlupf laufen).

Zusätzlich oder alternativ kann die Eingangsseite der Steuer­ schaltung 9 mit einem Lenkwinkelsensor 12 verbunden sein, welcher den Lenkeinschlag des Lenkhandrades 3 erfaßt.

Des weiteren kann die Eingangsseite der Steuerschaltung 9 mit einem Giersensor 13, durch welchen Drehbewegungen des Fahr­ zeuges um seine Hochachse erfaßt werden, und/oder einem Quer­ beschleunigungssensor 14 verbunden sein. Dieser letztere Sen­ sor weist typischerweise eine in Fahrzeugquerrichtung beweg­ liche, beispielsweise pendelbare, Trägheitsmasse auf, die bei Kurvenfahrt und/oder Seitwärtsneigung des Fahrzeuges mehr oder weniger weit in der einen oder anderen Richtung aus ih­ rer Mittellage ausgelenkt wird, in die sie durch Federung bzw. Rückstellkraft gedrängt wird.

Bei Lenkmanövern steuert die Steuerschaltung 9 den elektri­ schen Servomotor 8 so, daß der Servomotor 8 entsprechend ei­ ner vorgebbaren Charakteristik eine Servokraft erzeugt, die mit der jeweils am Lenkhandrad 3 aufzubringenden Handkraft ansteigt und den Kraftaufwand des Fahrers bei Lenkmanövern vermindert. Aus den Signalen der Sensoren 11 bis 14 kann die Steuerschaltung 9 unterschiedliche Fahrzustände erkennen, bei denen während einer längeren Zeitspanne größere Lenkmomente bzw. Lenkkräfte überwunden werden müssen.

Beispielsweise kann aus den Signalen der Drehzahlsensoren 11 an den Fahrzeugrädern 1 und 2 ermittelt werden, ob das Fahr­ zeug eine längere Kurve mit gleichbleibendem Kurvenradius durchfährt. In diesem Falle unterscheiden sich die Drehzahlen der rechten und linken Fahrzeugräder um charakteristische Differenzen. Zusätzlich bzw. gegebenenfalls auch alternativ können zur Erfassung einer solchen Kurvenfahrt die Signale des Lenkwinkelsensors 12 und/oder des Giersensors 13 und/oder des Querbeschleunigungssensors 14 herangezogen werden.

Falls nun ein Zustand einer derartigen nahezu stationären Kreisfahrt festgestellt wird, kann die Steuerschaltung 9 den Servomotor 8 so ansteuern, daß am Lenkhandrad 3 nur noch ein verschwindender Kraftaufwand notwendig wird, um den für die jeweils registrierte stationäre Kreisfahrt charakteristischen Lenkwinkel zu halten. Damit kann dem Fahrer beispielsweise das Durchfahren langgezogener Autobahnkurven erleichtert wer­ den.

Falls weder die Signale der Raddrehzahlsensoren 11 noch des Giersensors 13 auf eine Drehung des Fahrzeuges um seine Hoch­ achse hinweisen, die Signale des Sensors 14 jedoch auf eine am Fahrzeug wirksame Querkraft hinweisen, "weiß" die Steuer­ schaltung 9, daß eine durch Seitenwind und/oder Seitwärtsge­ fälle der Fahrbahn und/oder durch ungleichförmige Beladung des Fahrzeuges verursachte Seitwärtsneigung des Fahrzeuges vorliegt. Damit kann die Steuerschaltung 9 den Servomotor 8 derart ansteuern, daß durch die vorgenannte Seitwärtsneigung verursachte Lenkmomente zumindest teilweise kompensiert wer­ den.

Auch hier wird der Fahrer also dabei unterstützt, das Fahr­ zeug in einer gewünschten Spur zu halten.

Insgesamt wird also vom Fahrer deutlich weniger Lenkarbeit gefordert.

Sollte die Steuerschaltung 9 ein "Gierschleudern" registrie­ ren, für das zunehmende Pendelbewegungen der Lenkung charak­ teristisch sind, kann der Servomotor 8 von der Steuerschal­ tung 9 im Sinne der Dämpfung dieser unerwünschten Bewegungen angesteuert werden, wie es gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung vorgesehen ist.

Claims (7)

1. Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit einer zur Lenkver­ stellung mit lenkbaren Fahrzeugrädern (2) über eine Lenkge­ triebeanordnung (4, 5, 6) zwangsgekoppelten Lenkhandhabe (3) sowie einem mit dem Lenkgetriebe antriebsmäßig gekoppelten Servoaggregat (8), welches in Abhängigkeit von zwischen der Lenkhandhabe und den lenkbaren Fahrzeugrädern übertragenen Kräften sowie weiteren Parametern zur Erzeugung einer Servo­ kraft betätigbar ist, die an der Handhabe bei Lenkmanövern aufzubringende Handkräfte vermindert, wobei Langzeit- Lenkmomente, welche durch eine zumindest annähernd stationä­ re Querbeschleunigung des Fahrzeuges und/oder Seitenwind und/oder Seitwärtsneigung (Wanklage) des Fahrzeuges bewirkt werden und bei denen der Fahrer die Lenkhandhabe (3) gegen Rückstellkraft in einer weitestgehend gleichbleibenden Stel­ lung halten muß, zumindest teilweise vom Servoaggregat (8) derart kompensiert werden, daß diese gleichbleibende Stel­ lung einer Lenkstellung entspricht, die die Lenkung bei freigegebener Lenkhandhabe einzunehmen sucht.

2. Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Servoaggregat (8) betätigende Steuerung (9) ein­ gangsseitig mit Sensoren (11) für die Drehzahlen der Fahr­ zeugräder (1, 2) und/oder einem Lenkwinkelsensor (12) und/oder einem Giersensor (13) und/oder einem Sensor (14) für auf das Fahrzeug wirkende Querkräfte oder eine Querneigung des Fahr­ zeuges verbünden ist.

3. Servolenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkmomente erst nach einer Totzeit kompensiert wer­ den.

4. Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Seitwärtsneigung des Fahrzeuges verursachte Lenkmo­ mente kompensiert werden.

5. Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei stationärer Kurvenfahrt auftretende Lenkmomente kom­ pensiert werden.

6. Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (8) als selbsthemmungsfreier Elektromotor ausgebildet ist.

7. Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (8) zur Dämpfung von Lenkpendelbewegungen (Gierschleudern) ansteuerbar ist.