DE10047438A1 - Fremdkraftlenkanlage - Google Patents

Abstract

Eine Fremdkraftlenkanlage für Kraftfahrzeuge weist eine Stelleinrichtung (1) zum Aussteuern von Fahrzeugrädern auf. Die Stelleinrichtung (1) weist dabei einen Stellmotor (2) zum Antreiben wenigstens einer mit einer Schneckenwelle (4) verbundenen Getriebestufe (3) auf. Die Schneckenwelle (4) betätigt einen Kolben (5) eines doppelseitigen Zylinders (6). Die Form des Kolbens (5) und eine an den Kolben (5) angepaßte Bohrung (7) des Zylinders (6) sind derart ausgebildet, daß der Kolben (5) und der Zylinder (6) zueinander verdrehsicher sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fremdkraftlenkanlage für Kraftfahrzeuge mit einer Stelleinrichtung zum Aussteu­ ern von Fahrzeugrädern, wobei die Stelleinrichtung einen Stellmotor zum Antreiben wenigstens einer mit einer Schneckenwelle verbundenen Getriebestufe auf­ weist und die Schneckenwelle einen Kolben eines dop­ pelseitigen Zylinders betätigt.

An Fremdkraftlenkanlagen für Kraftfahrzeuge werden hohe sicherheitstechnische Anforderungen gestellt, die ein Ausfallen des Systems zuverlässig verhindern sol­ len. Darüber hinaus werden an Fremdkraftlenkanlagen strenge gesetzliche Anforderungen gestellt. Dadurch, daß bei Fremdkraftlenkanlagen die Lenkkräfte aus­ schließlich von einer oder mehreren Energieversor­ gungsanlagen erzeugt werden, und somit die mechanische Verbindung vom Lenkrad zum Rad entfallen kann, müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden, damit das Fahr­ zeug auch bei einem auftretenden Fehler oder Ausfall noch lenkbar bleibt.

Aus der Praxis ist hierfür der Einsatz von entspre­ chend redundanten Systemen bekannt. Alle sicherheits­ relevanten Systeme sind dabei doppelt oder dreifach ausgeführt.

Besonders problematisch ist ein Ausfall des hydrauli­ schen Systemes, der beispielsweise auftreten kann, wenn der Schließmechanismus der Steuerventile durch einen Span oder eine andere Verschmutzung blockiert wird. Das Steuerventil kann nicht mehr geschlossen werden und die zum Durchführen von Lenkbewegungen not­ wendige Änderung der Druckverhältnisse in den Arbeits­ räumen des Zylinders ist nicht mehr möglich. Der Druck bleibt in dem vor der Verklemmung beaufschlagten Ar­ beitsraum. Herkömmlich ausgelegte Stellmotoren können dabei den hydraulischen Druck nicht überwinden, so daß keine Lenkbewegung möglich ist. Eine Möglichkeit zur Lösung des Problems kann dabei darin bestehen, daß eine mechanische Kupplung zwischen der Lenkhandhabe und den gelenkten Rädern geschlossen wird, um eine Lenkbewegung gegen den hydraulischen Druck durchführen zu können. In nachteilhafter Weise sind hierzu jedoch mechanische Komponenten notwendig, die an sich bei einer Fremdkraftlenkanlage entfallen können.

Alternativ oder ergänzend zu der mechanischen Kupplung kann auch ein redundanter Motor bzw. ein besonders starker Motor vorgesehen sein, der den hydraulischen Druck überwinden kann und somit ein Aussteuern der gelenkten Räder ermöglicht. Von Nachteil ist dabei, daß ein derartiges System teuer und unzuverlässig ist.

Nachteilig ist darüber hinaus der teure und komplizierte Aufbau des Kolbens und des Zylinders, damit ein Auslenken durch den Stellmotor überhaupt möglich ist. Um ein Verschieben des Kolbens im Zylinder mittels der Schneckenwelle gewährleisten zu können, ist eine auf­ wendige Linearführung notwendig, die eine Drehbewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders verhindern soll. Eine lineare Bewegung des Kolbens in der Bohrung des Zylinders bzw. eine Umwandlung der Drehbewegung der Schneckenwelle in eine lineare Bewegung setzt voraus, daß der Kolben nicht in der Bohrung des Zylinders ro­ tiert.

Die Linearführung muß in Reihe zu dem Zylinder ange­ ordnet werden und benötigt dabei einen Einbauraum, der wenigstens dem Hub des Kolbens entspricht. Dieser zu­ sätzliche Platzbedarf sowie die für eine zuverlässige Linearführung notwendigen Teile führen zu entsprechend hohen Kosten bzw. benötigen einen entsprechenden Ein­ bauraum. Nachteilig ist darüber hinaus die aufwendige­ re Handhabung des derart vergrößerten Bauteiles beim Ein- und Ausbau.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fremdkraftlenkanlage für Kraftfahrzeuge zu schaffen, die die genannten Nachteile des Standes der Technik löst, insbesondere ein zuverlässiges und sicheres Auslenken der Fahrzeugräder auch bei einem Ausfall des hydraulischen Systems ermöglicht und einen kostengünstigen, platzsparenden und konstruktiv einfa­ chen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Form des Kolbens und eine an dem Kolben angepaßte Bohrung des Zylinders derart ausgebildet sind, daß der Kolben und der Zylinder zueinander verdrehsicher sind.

Dadurch, daß die Form des Kolbens und die an den Kol­ ben angepaßte Bohrung des Zylinders eine Form aufwei­ sen, die ein Verdrehen des Kolbens bzw. des Zylinders zueinander verhindert, ist eine aufwendige, platzin­ tensive und teure Linearführung, die ein Verdrehen des Kolbens verhindern soll, unnötig. Die Fremdkraft­ lenkanlage kann somit besonders kostengünstig und ein­ fach hergestellt werden.

Wie sich in Versuchen gezeigt hat, läßt sich die er­ findungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens bzw. die dar­ an angepaßte Bohrung des Zylinders in einfacher und kostengünstiger Weise realisieren. Somit wird ohne weitere mechanische Teile oder Vorrichtungen eine vor­ teilhafte, aus der Betätigung durch die Schneckenwelle resultierende, lineare Bewegung des Kolbens in der Bohrung des Zylinders gewährleistet.

Insbesondere bei einem Ausfall des hydraulischen Sy­ stems wird die Lenkfähigkeit des Kraftfahrzeuges in einfacher Weise durch den Stellmotor bzw. die durch den Stellmotor angetriebene Getriebestufe und somit durch die Schneckenwelle gewährleistet. Im normalen Fahrzustand wird die von der Schneckenwelle auf den Kolben übertragene Bewegung durch einen hydraulischen Druck unterstützt. Die Hauptkraft wird dabei im allge­ meinen hydraulisch aufgebracht, so daß ein Aussteuern des Kolbens ohne hydraulischen Druck nur als Notlauf­ funktion vorgesehen ist. Die davon betroffenen Teile können dabei derart ausgelegt werden, daß normale Fahrbewegungen möglich sind. Eine Übertragung von ho­ hen Drehmomenten, wie sie beispielsweise zum Auslenken von Fahrzeugrädern im stehenden Zustand des Fahrzeugs erforderlich sind, ist nicht notwendig.

In einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Außenkontur des Kolbens im Querschnitt wenigstens annähernd ein Viereck dar­ stellt.

Eine derartige Ausgestaltung hat sich in Versuchen als konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar er­ wiesen. Eine im Querschnitt betrachtete viereckige Außenkontur des Kolbens und eine daran angepaßte Boh­ rung bzw. Aussparung im Zylinder gewährleistet darüber hinaus eine besonders zuverlässige Verdrehsicherheit. Die durch den Motor bzw. die Getriebestufe auf die Schneckenwelle aufgebrachten Momente können in vor­ teilhafter Weise aufgenommen werden. Darüber hinaus ergibt sich eine gleichmäßige Kraftverteilung und Be­ lastung.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vor­ gesehen sein, daß der Kolben eine gewindeartige Ein­ richtung aufweist.

Durch die gewinde- oder spindelartige Einrichtung des Kolbens ist es in besonders vorteilhafter Weise mög­ lich, den Kolben mittels der Schneckenwelle zu betäti­ gen und linear in die gewünschte Richtung innerhalb der Bohrung des Zylinders zu bewegen. Das Gewinde läßt sich dabei mit einfachen und herkömmlichen Mitteln in den Kolben einbringen. Wie sich dabei in Versuchen herausgestellt hat, läßt sich die gewünschte Linearbe­ wegung des Kolbens somit in einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Weise erzeugen.

In einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, daß die gewindeartige Einrichtung als Kugelumlaufgetriebe ausgebildet ist.

Im Vergleich zu der Ausgestaltung des Kolbens mit ei­ nem Gewinde weist ein Kugelumlaufgetriebe einen höhe­ ren Wirkungsgrad auf. Ein Kugelumlaufgetriebe hat sich für den vorgesehenen Einsatzzweck als besonders geeig­ net herausgestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprü­ chen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer teil­ weise geschnittenen Stelleinrichtung; und

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Zylinder mit einem in einer Zylinderbohrung angeordneten Kolben und einer Schneckenwelle.

Die in Fig. 1 dargestellte Stelleinrichtung 1 der er­ findungsgemäßen Fremdkraftlenkanlage für Kraftfahrzeu­ ge dient zum Aussteuern von nicht dargestellten Fahr­ zeugrädern. Die Fremdkraftlenkanlage kann dabei in üblicher und daher nicht näher dargestellten Weise mit einer Lenkhandhabe zur Betätigung eines Sollwertgebers zum Einstellen eines bestimmten Lenkwinkels an den Fahrzeugrädern, einem Istwertgeber zur Erfassung des Istwertes des Lenkwinkels und einer Steuereinrichtung zum Ansteuern der Stelleinrichtung 1 versehen sein. Nur beispielhaft wird hierbei auf die in der DE 195 41 752 C2 beschriebene Lenkanlage für Kraftfahrzeuge ver­ wiesen.

Die genannte Patentschrift beschreibt eine Lenkanlage für Kraftfahrzeuge, bei der mittels einer Lenkhandha­ be, die ohne Zwangskopplung mit den gelenkten Fahr­ zeugrädern ausgebildet ist, ein Sollwertgeber betätigt wird. Dadurch, daß bei Fremdkraftlenkanlagen die Lenk­ säule entfallen kann, wird wesentlich weniger Einbau­ raum benötigt und es entfallen darüber hinaus eine Vielzahl reibungsbelasteter Drehlager.

Die in Fig. 1 dargestellte Stelleinrichtung 1 weist einen Stellmotor 2 auf, der eine Getriebestufe 3 an­ treibt, die mit einer Schneckenwelle 4 verbunden ist. Vom Stellmotor 2 wird dabei über die Getriebestufe 3 ein Drehmoment auf die Schneckenwelle 4 übertragen.

Die Schneckenwelle 4 ist in einem doppelseitigen und mit einem Kolben 5 versehenen Zylinder 6 angeordnet. Durch eine entsprechende Drehung der Schneckenwelle 4 wandert dabei der Kolben 5 innerhalb einer Bohrung 7 des Zylinders 6 linear in die aus der Drehbewegung der Schneckenwelle 4 resultierende Richtung.

Wie aus Fig. 1 und detailliert in Fig. 2 ersichtlich, weist der Kolben 5 und die an den Kolben 5 angepaßte Bohrung 7 des Zylinders 6 eine derartige Form auf, daß der Kolben 5 und der Zylinder 6 zueinander verdrehsi­ cher sind. Im Querschnitt betrachtet ist dabei der Kolben 5 formschlüssig in der Bohrung 7 des Zylinders 6 angeordnet. In vorteilhafter Weise wird dadurch gewährleistet, daß der Kolben 5 nicht aufgrund des aus der Schneckenwelle 4 resultierenden Drehmoments in der Bohrung 7 rotiert. Somit wird eine sichere und zuver­ lässige lineare Bewegung des Kolbens 5 innerhalb der Bohrung 7 des Zylinders 6 gewährleistet. Die Drehbewe­ gung der Schneckenwelle 4 wird in einfacher Weise in eine Linearbewegung des Kolbens 5 umgewandelt. In ein­ facher Weise ist dies dadurch möglich, daß der Kolben 5 und somit auch die Bohrung 7 des Zylinders 6 einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen. Eine unrunde Umfangsform des Kolbens 5 verhindert da­ bei zuverlässig ein Rotieren des Kolbens 5 innerhalb der Bohrung 7 des Zylinders 6.

Eine besonders vorteilhafte Kraftübertragung bzw. eine gleichmäßige Belastung durch die auftretenden Momente ergibt sich dabei dadurch, daß der Kolben 5 im Quer­ schnitt wenigstens annähernd ein Vieleck darstellt. Somit ist eine vorteilhafte Verteilung der Kräfte mög­ lich, ohne daß Kraftkonzentrationen entstehen, die eine erhöhte Abnutzung bewirken.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, stellt die Außenkontur des Kolbens 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Viereck dar. In Versuchen hat sich eine derartige Aus­ gestaltung des Kolbens 5 und somit auch eine entspre­ chende Ausgestaltung der Bohrung 7 des Zylinders 6 bezüglich der aufzunehmenden Kräfte und einer kon­ struktiv einfachen Bauweise als besonders sowohl tech­ nisch als auch wirtschaftlich geeignet herausgestellt.

Vorteilhaft ist dabei auch, wenn der Zylinder 6 im Querschnitt eine ebenfalls wenigstens annähernd vier­ eckige Außenkontur aufweist. Selbstverständlich kann der Zylinder 6 prinzipiell eine von der Außenkontur des Kolbens 5 abweichende Außenkontur aufweisen, al­ lerdings hat sich, insbesondere auch aus Gründen der Materialersparnis, eine an die Außenkontur des Kolbens 5 angepaßte Form der Außenkontur des Zylinders 6 als vorteilhaft herausgestellt.

Zur Betätigung des Kolbens 5 durch die Schneckenwelle 4 bzw. zur linearen Verschiebung des Kolbens 5 in der Bohrung 7 des Zylinders 6 ist es vorteilhaft, wenn der Kolben 5 eine im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kugelumlaufgetriebe 8 ausgebildete gewindeartige Ein­ richtung aufweist. In einer alternativen Ausgestaltung kann die gewindeartige Einrichtung auch in Form einer Mutter ausgebildet sein. Durch das Kugelumlaufgetriebe 8 und die Verdrehsicherheit des Kolbens 5 zu dem Zy­ linder 6 wird ein besonders hoher Wirkungsgrad bezüg­ lich der Umwandlung der Drehbewegung der Schneckenwel­ le 4 in die gewünschte Linearbewegung des Kolbens 5 erzielt. Eine Ausgestaltung des Kolbens 5 mit einem Kugelumlaufgetriebe 8 hat sich darüber hinaus als kon­ struktiv einfach und zuverlässig herausgestellt.

Durch die beschriebene erfindungsgemäße Stelleinrich­ tung ist ein zuverlässiges Auslenken der Fahrzeugräder auch bei einem Ausfall einer Hydraulikeinrichtung 9 gewährleistet.

Im allgemeinen Fahrbetrieb wird die Auslenkung der Fahrzeugräder hauptsächlich durch die Hydraulikein­ richtung 9 bewirkt. Aus sicherheitstechnischen Anfor­ derungen muß jedoch bei einem Ausfall der Hydraulik­ einrichtung 9 bzw. einer damit zusammenhängenden Kom­ ponente eine Lenkfähigkeit des Kraftfahrzeuges gewährleistet sein. Der Stellmotor 2 ist dabei derart ausge­ legt, daß die Lenkfähigkeit des Kraftfahrzeuges auch bei einem Ausfall der Hydraulikeinrichtung 9 gewähr­ leistet ist. In besonders vorteilhafter Weise ist dies durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausge­ staltung der Stelleinrichtung 1 in einfacher und ko­ stengünstiger Weise möglich.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind Arbeitsräume 10 des Zylinders 6 mittels Hydraulikleitungen 11 an der Hy­ draulikeinrichtung 9 angeschlossen. Der somit in den Arbeitsräumen 10 erzeugbare hydraulische Druck unter­ stützt die Betätigung des Kolbens 5 mittels der Schneckenwelle 4. Vorgesehen ist dabei, daß die Haupt­ kraft zum Auslenken der Fahrzeugräder durch die Hy­ draulikventile/Druckversorgung, zeichnerisch nicht dargestellt, aufgebracht wird. Die prinzipielle Funk­ tionsweise von Hydraulikeinrichtungen bei Fremdkraft­ lenkanlagen ist hinreichend bekannt, so daß hierauf nachfolgend nicht näher eingegangen wird.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Ansteuerung der Arbeitsräume 10 des Zylinders 6 durch den hydrau­ lischen Druck unabhängig voneinander erfolgen. Dies ist beispielsweise möglich, in dem die die Arbeitsräu­ me 10 ansteuernden, nicht näher dargestellten Steuer­ ventile unabhängig voneinander arbeiten. Auftretende Klemmerscheinungen der Steuerventile bei der Betäti­ gung eines Arbeitsraumes 10 bzw. einer Zylinderhälfte können durch die Betätigung des jeweils anderen Steu­ erventils und der daraus resultierenden Einleitung eines hydraulischen Drucks in den anderen Arbeitsraum 10 bzw. die andere Zylinderhälfte neutralisiert bzw. kompensiert werden. Da sich somit die Drücke in den beiden Arbeitsräumen 10 des Zylinders 6 ausgleichen, kann die erforderliche Lenkbewegung der Fahrzeugräder ohne Behinderung durch den Stellmotor 2 erfolgen. Vor­ gesehen ist dabei, daß beim Auftreten einer Klemmer­ scheinung ein Notfahrprogramm aktiviert wird, mit dem ein sicheres Abstellen bzw. eine Anfahrt zur nächsten Werkstatt möglich ist.

Eine Kompensation der Drücke in den Arbeitsräumen 10 des Zylinders 6 ist in vorteilhafter Weise durch die unabhängige Ansteuerung der Arbeitsräume 10 des Zylin­ ders 6 möglich. Im Unterschied zum Stand der Technik muß der Stellmotor 2 lediglich derart ausgelegt wer­ den, daß ein normales Auslenken der Fahrzeugräder mög­ lich ist. Eine derartige Dimensionierung des Stellmo­ tors 2, daß auch noch fehlerhafte hydraulische Gegen­ kräfte überwunden werden müssen, ist aufgrund der un­ abhängigen, nicht zwangsgesteuerten Steuerventile un­ nötig.

Der Stellmotor 2 dient im normalen Fahrbetrieb auch zur Ansteuerung der Steuerventile und somit praktisch zur Steuerung der Hydraulikeinrichtung 9.

Die erfindungsgemäße Fremdkraftlenkanlage kann an al­ len für Fremdkraftlenkanlagen denkbaren Einsatzgebie­ ten insbesondere im Bereich der Vorderradlenkung ein­ gesetzt werden. Darüber hinaus ist auch ein Einsatz der erfindungsgemäßen Fremdkraftlenkanlage bei Nach­ laufachsen oder Vorlaufachsen von Lastkraftfahrzeugen vorteilhaft. Durch die Fremdkraftlenkanlage ergeben sich wesentliche Vorteile bezüglich der Fahrdynamik, insbesondere ist auch eine schnelle Reaktion auf ver­ änderte Fahrsituationen möglich.

Claims (14)

1. Fremdkraftlenkanlage für Kraftfahrzeuge, mit einer Stelleinrichtung zum Aussteuern von Fahrzeugrä­ dern, wobei die Stelleinrichtung einen Stellmotor zum Antreiben wenigstens einer mit einer Schnec­ kenwelle verbundenen Getriebestufe aufweist und die Schneckenwelle einen Kolben eines doppelseiti­ gen Zylinders betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Kolbens (5) und eine an den Kolben (5) angepaßte Bohrung (7) des Zylinders (6) derart ausgebildet sind, daß der Kolben (5) und der Zy­ linder (6) zueinander verdrehsicher sind.

2. Fremdkraftlenkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) im Querschnitt betrachtet form­ schlüssig in der Bohrung (7) des Zylinders (6) an­ geordnet ist.

3. Fremdkraftlenkanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) einen von der Kreisform abweichen­ den Querschnitt aufweist.

4. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Kolbens (5) im Querschnitt wenigstens annähernd ein Vieleck darstellt.

5. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Kolbens (5) im Querschnitt wenigstens annähernd ein Viereck darstellt.

6. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (6) im Querschnitt wenigstens annä­ hernd eine viereckige Außenkontur aufweist.

7. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) durch die Betätigung der Schnecken­ welle (4) linear in der Bohrung (7) des Zylinders (6) verschiebbar ist.

8. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) eine gewindeartige Einrichtung (8) aufweist.

9. Fremdkraftlenkanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gewindeartige Einrichtung als Kugelumlaufge­ triebe (8) ausgebildet ist.

10. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (10) des Zylinders (6) mittels Hydraulikleitungen (11) an eine Hydraulikeinrich­ tung (9) angeschlossen sind.

11. Fremdkraftlenkanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulischer Druck in dem entsprechenden Ar­ beitsraum (10) des Zylinders (6) die Betätigung des Kolbens (5) mittels der Schneckenwelle (4) un­ terstützt.

12. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (2) für eine Notlenkfunktion ausge­ bildet ist.

13. Fremdkraftlenkanlage nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Arbeitsräume (10) des Zylin­ ders (6) durch den hydraulischen Druck unabhängig voneinander erfolgt.

14. Fremdkraftlenkanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die die Arbeitsräume (10) ansteuernden Steuerven­ tile unabhängig voneinander arbeiten.