DE19852061A1 - Ventilanordnung für Servolenkungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulisch unterstützte Lenkung für ein Kraftfahrzeug. Weil dem Hydrauliksystem ein elektromechanisches Ventil 12 zugeordnet ist, das im geöffneten Zustand die Arbeitsräume 3, 4 hydraulisch mittelbar oder unmittelbar verbindet, können herkömmliche mechanische Druckbegrenzungs-, Nachsaug- und Endanschlagsventile entfallen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulisch unterstützte Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 oder 2.

Derartige Lenkungen sind aus der Praxis bekannt. Sie sind beispielsweise in dem Fachbuch "Fahrwerktechnik: Lenkanlagen und Hilfskraftlenkungen", Vogel Buch-Verlag, Würzburg (1992) beschrieben. Auf der Seite 130 ist eine Kugelumlauflenkung mit einer externen Flügelzellenpumpe, einem Lenkventil und einem Lenkgehäuse dargestellt, wobei in dem Lenkgehäuse ein auf die Lenkwelle wirkender Arbeitskolben enthalten ist. Eine herkömmliche Servolenkung dieser Bauart weist neben dem Drehschieber- oder Drehkolbenventil ein oder zwei Ventile zur Begrenzung des Ausschlags der Lenkwelle sowie ein Druckbegrenzungsventil und ein Nachsaugventil auf, wobei das Druckbegrenzungsventil den Druck im Vorlauf der Servolenkung nach oben hin begrenzt und das Nachsaugventil bei ausgefallener Servounterstützung die manuelle Verdrängung des Hydraulikfluides aus einem Arbeitsraum über einen Bypass in den zweiten Arbeitsraum ermöglicht. Die Begrenzungsventile für den Winkel der Lenkwelle sind in dem Lenkgehäuse oder im Arbeitskolben selbst angeordnet und werden unmittelbar von der Lenkwelle zugeordneten Nocken oder durch Anschlag am Gehäuseboden betätigt. Bei Erreichen eines bestimmten Lenkwinkels stellen diese Anschlag- oder Begrenzungsventile eine hydraulische Verbindung zwischen den beiden Arbeitsräumen des Arbeitskolbens her. Dabei reduziert sich die Servounterstützung und der Lenkwinkel wird auf diese Art und Weise wirksam begrenzt.

Für die beschriebene Lenkung ist deshalb der Einbau von insgesamt bis zu vier rein mechanischen Hydraulikventilen erforderlich, die den speziellen Anforderungen entsprechend gestaltet werden müssen und in die Lenkung eingebaut werden müssen. Hierdurch entstehen in der Praxis relativ hohe Kosten, da jedes einzelne Ventil für sich hergestellt, geprüft und fluiddicht in das Lenksystem eingebaut werden muß.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die geschilderten Funktionen mit einer einfacheren Ventilanordnung zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilanordnung bereitzustellen, die in Abhängigkeit der Fahrzustände des Kraftfahrzeugs unterschiedliche Funktionsweisen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Kugelumlauflenkung von einer Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einer Zahnstangenlenkung von einer Lenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Weil dem Hydrauliksystem ein elektromechanisches Ventil zugeordnet ist, das im geöffneten Zustand die Arbeitsräume hydraulisch verbindet, kann die Arbeitsweise der Servolenkung in Abhängigkeit von den Meßergebnissen elektrischer Sensoren oder sonstigen Steuerbefehlen beeinflußt werden. Insbesondere ist es möglich, über einen die Radwinkelstellung der gelenkten Räder oder auch die Lenkradposition überwachenden Sensor ab einem wählbaren Radeinschlagswinkel die Servounterstützung durch Verbindung der beiden Arbeitsräume zu reduzieren oder abzuschalten, so daß die Funktion des Lenkwinkelbegrenzungsventils übernommen wird.

Dabei ist vorteilhaft, wenn eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Ventils und zur Steuerung der Druckdifferenz in den Arbeitsräumen vorgesehen ist. Hierüber kann das Öffnen und Schließen des Ventils flexibel gehandhabt werden und gegebenenfalls sogar das Maß der Servounterstützung eingestellt werden.

Weiter ist von Vorteil, wenn wenigstens ein Sensor für die Position der Lenkung vorgesehen ist, wobei die Schaltung dazu eingerichtet ist, das Ventil in Abhängigkeit von dem Sensor anzusteuern. Auf diese Weise kann zunächst der bereits erwähnte Lenkanschlag durch Reduzierung der Servounterstützung simuliert werden. Es kann aber auch durch gezielte Beeinflussung der Servounterstützung in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel eine bestimmte Kennlinie der Servounterstützung erreicht werden. Wenn das Ventil bei Positionen der Lenkung, die einem maximal erwünschten Radwinkel entsprechen, geöffnet wird, wird zuverlässig verhindert, daß die Lenkung über diesen maximalen Radwinkel hinaus eingeschlagen wird und das Fahrzeug hierdurch Beschädigungen erfährt.

Wenn der Schaltung ein Sensor für die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist und der maximal erwünschte Radwinkel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit veränderlich ist, kann bei höheren Geschwindigkeiten ein Lenkanschlag verhindert werden, der zu unsicheren Fahrzuständen führen würde. Bei niedrigen Geschwindigkeiten, etwa bei Rangieren, kann andererseits ein Radwinkel zugelassen werden, der in dieser Größe im Normalbetrieb nicht erwünscht ist.

Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn das Ventil innerhalb des Lenkgehäuses angeordnet ist. Das Ventil kann andererseits an einer besonders zugänglichen Stelle ohne Änderungen an bestehenden Lenkgehäusen montiert werden, wenn es außerhalb des Gehäuses, insbesondere im Bereich einer Hydraulikleitung angeordnet ist. Hier kann z. B. vorgesehen sein, daß der Vorlauf der Hydraulikpumpe und der Vorratsbehälter miteinander verbunden werden, wodurch die beiden Arbeitsräume der Servolenkung mittelbar hydraulisch gekoppelt werden. Der sich einstellende Effekt ist im wesentlichen der gleiche.

Es ist weiter von Vorteil, wenn der Schaltung ein Drucksensor zugeordnet ist und das Ventil bei Erreichen eines bestimmten Drucks oder einer bestimmten Druckdifferenz geöffnet wird. Auf diese Weise ist der Wegfall des mechanischen Druckbegrenzungsventils realisierbar. Das Ventil kann auch eine autonome mechanische Druckbegrenzung bereitstellen, indem es ohne Ansteuerung von der Schaltung bei einer bestimmten Druckbeaufschlagung öffnet. Dies kann insbesondere bei kaltem Hydraulikfluid einem Überdruck im hydraulischen System vorbeugen, ohne daß die elektronische Schaltung hierfür ansprechen muß. Wenn bei einem Druckabfall im hydraulischen System das Ventil geöffnet wird, so wird bei ohnehin weggefallener Servounterstützung die rein mechanische Betätigung der Servolenkung durch Handkraft nicht beeinträchtigt, weil ein Bypass von einem Arbeitsraum zu dem anderen Arbeitsraum geschaffen wird. Entsprechendes gilt für den Fall, daß das Ventil im stromlosen Zustand geöffnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Nachsaugventil entfallen, das ansonsten für diesen Fall vorgesehen ist.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Ventil im geöffneten Zustand einen Drosselquerschnitt darstellt, der bei Druckbeaufschlagung durch das Hydrauliksystem eine Mindestdruckdifferenz zwischen den Arbeitsräumen sicherstellt. Dies bewirkt, daß bei Ausfall des Druckbegrenzungsventils beispielsweise durch Kabelbruch im Fahrbetrieb die Lenkbarkeit des Fahrzeugs mit einem Mindestmaß an Servounterstützung sichergestellt ist.

Im folgenden ist die vorliegende Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele für Kugelumlauflenkungen veranschaulicht. Entsprechendes gilt für Zahnstangenlenkungen, auf die die Ausführungsbeispiele ohne weiteres übertragbar sind. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Prinzipschaltbild einer hydraulischen Hilfskraftlenkung als Kugelumlauflenkung mit der neuer. Ventilanordnung zur Verbindung der Arbeitsräume; sowie

Fig. 2 ein Schaltbild entsprechend Fig. 1 mit einer Verbindung des Pumpenvorlaufs und des Vorratsbehälters.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes hydraulisches Lenksystem als Kugelumlauflenkung mit einem Lenkgehäuse 1 offenbart, in dem ein Arbeitskolben 2 mit zwei Arbeitsräumen 3 und 4 sowie eine Lenkwelle 5 angeordnet sind. Die Arbeitsräume 3 und 4 stehen über Hydraulikleitungen 6 bzw. 7 mit einem Servoventil 8 in Verbindung. Das Servoventil 8 wiederum ist über eine Hydraulikleitung 9 mit dem im Vorlauf einer Hydraulikpumpe 10 und über eine Hydraulikleitung 11 mit einem Vorratsbehälter oder Ölbehälter 18 verbunden. Die Arbeitsräume 3 und 4 sind untereinander über ein Zweiwege-Magnetventil 12 verbunden, das im Ruhezustand geöffnet ist. Das Zweiwege-Magnetventil wird über ein Steuergerät 13 elektrisch angesteuert. Dem Steuergerät 13 werden elektrische Meßwerte eines Geschwindigkeitssensors 14 für die Fahrzeuggeschwindigkeit, eines Drehwinkelsensors 15 für die aktuelle Winkelstellung der Lenkwelle 5 oder des Lenkrades sowie eines Drucksensors 16 für den im Vorlauf 9 herrschenden Druck zugeleitet.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild entsprechend Fig. 1 mit einer Verbindung des Pumpenvorlaufs und des Vorratsbehälters. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Im Betrieb arbeitet das insoweit beschriebene Lenksystem wie folgt: Bei laufender Hydraulikpumpe 10 wird im Lenkungskreislauf zunächst ein Ölstrom aufgebaut. Der daraus resultierende Druck wird über den Drucksensor 16 gemessen und an das Steuergerät 13 übermittelt. Im Betrieb gibt das Steuergerät 13 über eine Steuerleitung 17 einen Ansteuerungsimpuls an das Magnetventil 12, das daraufhin die Verbindung zwischen den Hydraulikleitungen 6 und 7 schließt. Wenn jetzt über die Lenkung des Kraftfahrzeugs das Servoventil 8 angesteuert wird, wird der Vorlauf 9 mit einem der Arbeitsräume 3 oder 4 verbunden, so daß sich der in dem Lenkgehäuse 1 beweglich angeordnete Kolben 2 in die jeweils von dem Arbeitsraum 3 oder 4 wegweisende Richtung bewegt. Über die Verzahnung des Arbeitskolbens wird dann die Lenkwelle 5 entsprechend gedreht und die Lenkung des Kraftfahrzeugs betätigt. Der Drehwinkelsensor 15 übermittelt die aktuelle Stellung der Lenkwelle 5 oder des Lenkrades an das Steuergerät 13. Der Geschwindigkeitssensor 14 übermittelt ebenfalls als elektrisches Signal die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs an das Steuergerät 13.

Das Steuergerät 13 beeinflußt die Funktion der Lenkung in Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren 14, 15 und 16. Wenn der maximal zulässige Lenkeinschlag über den Drehwinkelsensor 15 der Lenkwelle 5 festgestellt wird, öffnet das Steuergerät 13 das Zweiwege-Magnetventil 12, so daß eine unmittelbare hydraulische Verbindung zwischen den Leitungen 6 und 7 und damit ein Druckausgleich in den Arbeitsräumen 3 und 4 erfolgt. Damit wird die Servounterstützung der Lenkung reduziert und der am Lenkrad des Kraftfahrzeugs spürbare ansteigende Kraftaufwand simuliert einen mechanischen Anschlag der Lenkung. Ein weiterer Lenkeinschlag in der eingeschlagenen Richtung unterbleibt deshalb im allgemeinen. Beschädigungen des Kraftfahrzeuges oder sonstige unerwünschte Folgen eines zu großen Radeinschlagwinkels werden auf diese Weise sicher vermieden. Der Punkt der Öffnung des Magnetventils 12 bei Erreichen bestimmter Radeinschlagswinkel kann in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitssensor 14 verändert werden. So kann z. B. bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit der maximale Lenkeinschlag begrenzt werden, indem das Magnetventil 12 schon bei einem geringeren Radwinkel öffnet als im Stillstand. Auf diese Weise lassen sich die Lenkeinschläge während der Fahrt auf einen Bereich begrenzen, der sichere Fahrzustände gewährleistet.

Schließlich ermittelt das Steuergerät 13 den Druck im Vorlauf 9 über den Sensor 16 und kann bei einem vollständigen Druckabfall das Magnetventil 12 öffnen. Der Effekt dieser Schaltmöglichkeit besteht darin, daß bei ohnehin entfallener Servounterstützung eine manuelle Betätigung der Lenkung nicht zusätzlich durch einen großen Strömungswiderstand des Hydraulikfluids von einem Arbeitsraum 3, 4 in den jeweils anderen Arbeitsraum 4, 3 behindert wird. Sollte der Druck im Vorlauf 9 zu hoch sein, so kann die Steuerung 13 ebenfalls das Magnetventil 12 öffnen, um einen Druckabbau zu ermöglichen und damit eine Beschädigung der Pumpe oder des Hydrauliksystems zu vermeiden. Schließlich kann das Steuergerät 13 das Zweiwege-Magnetventil auch gepulst oder getaktet ansteuern, so daß eine Druckbegrenzung oder Druckreduzierung im Vorlauf der Servolenkung realisiert werden kann.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 hat den Vorteil, daß bei einem Ansprechen der Überdruckbegrenzung das Hydraulikfluid durch einen relativ langen Kreislauf gepumpt wird und somit eine relativ große Menge umgewälzt wird. Dies verhindert eine Überhitzung und Beschädigung des Fluids. Ein (fehlerhaft) vollständig geschlossenes Servoventil führt jedoch zu einem Druckanstieg im Pumpenvorlauf 9, der durch Öffnung des Ventils 8 nicht verhindert werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist vorteilhaft, daß die Überdruckfunktion des Ventils 12 zum Schutz des Hydrauliksystems auch dann gewährleistet ist, wenn das Servoventil 8 blockiert ist.

Das Zweiwege-Magnetventil 12 in Verbindung mit dem Steuergerät 13 ermöglicht also die Funktionen von herkömmlichen Begrenzungsventilen für den maximalen Lenkeinschlag, von Druckbegrenzungsventilen und von Nachsaugventilen. Die insoweit beschriebene Anordnung kann von Material- und Montagekostenaufwand her günstiger gehalten werden als herkömmliche Lenksysteme, bei denen insgesamt bis zu vier rein mechanische Ventile eingesetzt werden, die bis zu drei verschiedenen Baumustern entsprechen. Bei Fahrzeugen mit umfangreicher Bordelektronik stehen zudem die Sensoren 14 und 15 sowie das Steuergerät 13 und eventuell der Sensor 16 ohnehin zur Verfügung, so daß die entsprechenden Funktionen lediglich implementiert werden müssen.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Lenksystemen mit rein mechanischen Ventilen kann darüber hinaus eine kennfeldabhängige Steuerung der Servolenkung über das Zweiwege-Magnetventil 12 erfolgen, die die jeweils festgestellten Fahrzustände berücksichtigt.

Claims (13)

1. Hydraulisch unterstützte Lenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Hydrauliksystem sowie mit einem Lenkgehäuse (1), in dem eine Lenkwelle (5) drehbar gelagert ist, mit einem drehfest mit der Lenkwelle verbundenen Zahnsegment, das mit einer Verzahnung eines Arbeitskolbens (2) in Eingriff steht, wobei der Arbeitskolben (2) zwei hydraulisch beaufschlagbare Arbeitsräume (3, 4) begrenzt, bei deren Beaufschlagung der Arbeitskolben (2) eine Linearbewegung und die Lenkwelle (5) eine Drehbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hydrauliksystem ein elektromechanisches Ventil (12) zugeordnet ist, das im geöffneten Zustand die Arbeitsräume (3, 4) hydraulisch mittelbar oder unmittelbar verbindet.

2. Hydraulisch unterstützte Lenkung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Hydrauliksystem sowie mit einem Lenkgehäuse, in dem eine Zahnstange verschieblich gelagert ist, mit einem der Zahnstange zugeordneten Arbeitskolben, der zwei hydraulisch beaufschlagbare Arbeitsräume (3, 4) begrenzt, bei deren Beaufschlagung der Arbeitskolben und die Zahnstange eine Linearbewegung ausführen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hydrauliksystem ein elektromechanisches Ventil (12) zugeordnet ist, das im geöffneten Zustand die Arbeitsräume (3, 4) hydraulisch mittelbar oder unmittelbar verbindet.

3. Lenkung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung (13) zur Ansteuerung des Ventils (12) zur Steuerung der Druckdifferenz in den Arbeitsräumen (3, 4) vorgesehen ist.

4. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor (15) für die Position der Lenkung vorgesehen ist, wobei die Schaltung dazu eingerichtet ist, das Ventil (12) in Abhängigkeit von dem Sensor (15) anzusteuern.

5. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) bei Positionen der Lenkung, die einem maximal erwünschten Radwinkel entsprechen, geöffnet wird.

6. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung (13) ein Sensor (14) für die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist und daß der maximale erwünschte Radwinkel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit veränderlich ist.

7. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) innerhalb des Lenkgetriebes (1) angeordnet ist.

8. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) außerhalb des Lenkgetriebes (1) angeordnet, insbesondere einer Hydraulikleitung (6, 7, 9) zugeordnet ist.

9. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung (13) ein Drucksensor (16) zugeordnet ist und daß das Ventil (12) bei Erreichen eines bestimmten Drucks oder einer bestimmten Druckdifferenz geöffnet wird.

10. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) ohne Ansteuerung von der Schaltung (13) bei einer bestimmten Druckbeaufschlagung öffnet.

11. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) bei einem vollständigen Druckabfall im hydraulischen System geöffnet wird.

12. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) im stromlosen Zustand geöffnet ist.

13. Lenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) im geöffneten Zustand einen Drosselquerschnitt darstellt, der bei Druckbeaufschlagung durch das Hydrauliksystem eine Mindestdruckdifferenz zwischen den Arbeitsräumen (3, 4) sicherstellt.