DE102005054478A1

DE102005054478A1 - Elektrische Servolenkung

Info

Publication number: DE102005054478A1
Application number: DE200510054478
Authority: DE
Inventors: Wilfried Leutner; Helmut KNÖDLER; Markus Heger; Thomas Pötzl
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkung (1) für ein Fahrzeug, mit zumindest zwei an einer Achse (2) angeordneten lenkbaren Rädern (3), zu deren Lenkwinkelverstellung von einem Elektromotor ein Moment bereitgestellt ist, und mit einer Recheneinheit zur Ermittlung eines fahrsituationsabhängigen Sollrückstellmoments für den Elektromotor und zur Beaufschlagung des Elektromotors mit einem Signal für das fahrsituationsabhängige Sollrückstellmoment. DOLLAR A Um eine elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug zu schaffen, die einen geringen konstruktiven Aufwand in Bezug auf das Bordnetz des Fahrzeugs bei hoher Betriebssicherheit und hohem Bedienkomfort ermöglicht, ist vorgesehen, dass die lenkbaren Räder (3) so an der Achse (2) gelagert sind, dass sie die Ackermann-Bedingung nicht erfüllen und durch die Recheneinheit die tatsächliche Rückstellkraft der lenkbaren Räder (3) bei der Ermittlung des fahrsituationsabhängigen Sollrückstellmoments zumindest näherungsweise berücksichtigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug mit zumindest einer Momentenunterstützung durch einen Elektromotor, der während eines vom Fahrzeug-Lenker initiierten Lenkeinschlags im entsprechenden Drehsinn angesteuert wird und ein, einen Lenkwinkel an lenkbaren Rädern des Fahrzeugs hervorrufendes Lenkkinematik-Element, wie etwa eine Zahnstange, mit verlagert, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Servolenkanlagen für Fahrzeuge bekannt, also Systeme, mit deren Hilfe der Fahrer des Fahrzeugs beim Aufbringen eines fahrsituationsabhängigen Lenkmoments unterstützt wird. Bei Personenkraftwagen und Nutzkraftwagen wird eine solche Servolenkanlage durch hydraulische Systeme gebildet, so beispielsweise in Form einer Zahnstangen-Hydrolenkung mit offener oder geschlossener Mitte eines jeweiligen Lenkventils.

Ferner sind Servolenkungen mit Antrieb durch einen Elektromotor mit meist nachgeschaltetem mechanischem Getriebe bekannt, wozu beispielsweise auf die DE 199 51 548 A1 verwiesen sei. Dabei ist das dem zur Servounterstützung fungierenden Elektromotor zugeordnete mechanische Getriebe auf geeignete Weise mit dem vom Fahrzeuglenker selbst manuell betätigten Lenkgetriebe gekoppelt. Diese Servolenkanlagen bieten gegenüber einer Hydrolenkung eine Verbrauchsreduktion und erlauben eine aktive Servounterstützung, wie beispielsweise einen aktiven Lenkungsrücklauf.

Die DE 102 44 069 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung, wobei lenkbare Räder des Fahrzeugs sowohl mit einem durch einen Fahrer beeinflussbaren Lenkmittel als auch mit einem elektrischen Servomotor antreibend verbunden sind und in mindestens einer Recheneinheit ein fahrsituationsabhängiges Sollrückstellmoment ermittelt ist, und Eingangsdaten für die Ermittlung des Sollrückstellmoments mindestens in Abhängigkeit eines Lenkwinkels, einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit durch Kennlinien ermittelt werden und die Kennlinien entweder durch mindestens abschnittsweise definierte Funktionen und/oder Tabellen beschrieben sind.

Die bekannten elektrischen Servolenkungen weisen in Bezug auf ihre Lenkkinematik zwar optimierte Verhältnisse für Geradeauslauf und Kurvenverhalten auf, haben aber insbesondere bei größeren Lenkwinkeln einen erhöhten Lenkmomentenbedarf, weshalb solche elektrischen Servolenkungen ein leistungsfähigeres Bordnetz und entsprechende schaltungstechnische Maßnahmen benötigen. Insbesondere bei der Anwendung solcher elektrischer Servolenkungen in Nutzkraftwagen oder schweren Personenkraftwagen ergibt sich ein erhöhter konstruktiver Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug zu schaffen, die einen geringen konstruktive Aufwand in Bezug auf das Bordnetz des Fahrzeugs bei hoher Betriebssicherheit und hohem Bedienungskomfort ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einer elektrischen Servolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch dass die lenkbaren Räder so an der Achse des Fahrzeugs oder an dessen Rahmen gelagert sind, dass die Ackermann-Bedingung nicht erfüllt wird, ist eine konstruktive Möglichkeit geschaffen, die äußeren Kräfte an einem oder beiden lenkbaren Rädern der Achse insbesondere im Bereich großer Lenkwinkel zu begrenzen, um so eine Leistungsaufnahme des Elektromotors in sinnvollen Bereichen zu halten. Eine dadurch beeinträchtigte mechanische Lenkrückstellung wird von der Recheneinheit, die auch die tatsächliche Rückstellkraft der lenkbaren Räder näherungsweise berücksichtigt oder erfasst, bei der Ermittlung des fahrsituationsabhängigen Sollrückstellmoments berücksichtigt und so ein über den gesamten möglichen Lenkwinkelbereich der elektrischen Servolenkung ein angemessenes Lenkverhalten ermöglicht.

Unter Ackermann-Bedingung ist ein einwandfreies Abrollen aller lenkbaren Räder bei Kurvenfahrt und die Erfüllung der Lenkwinkel δ_Aa des kurvenäußeren Rades und des kurveninneren Rades δ_i mit dem Radstand l und dem Abstand j der Lenkachse gemäß:

zu verstehen. Bekanntermaßen muss ein radial einwärts in Bezug auf einen Wendekreis angeordnetes lenkbares Rad (kurveninneres Rad) mehr verschwenkt werden als ein radial auswärts in Bezug auf den Wendekreis angeordnetes Rad (kurvenäußeres Rad).

Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der elektrischen Servolenkung ist die Lenkkinematik der lenkbaren Räder so ausgelegt, dass bei der Wahl eines Lenkwinkels im Bereich um Werte bei Geradeausfahrt – einem Mittenbereich also – der Vorderwagen an der Achse des Fahrzeugs angehoben ist und bei größeren Lenkwinkeln abgesenkt ist. Dies lässt sich beispielsweise durch einen positiven Lenkradius und die Wahl einer großen Spreizung erreichen, wobei ein großer Spurhebelwinkel und eine große Spreizung einen großen möglichen Lenkdifferenzwinkel bewirken.

Eine Absenkung des Vorderwagens an der Achse mit den lenkbaren Rädern bei großen, außerhalb des Mittenbereichs liegenden Lenkwinkeln, wird beispielsweise durch eine längenveränderbare Spurstangen-Korrekturstrebe erreicht, wodurch ein unterproportionaler Lenkeinschlag des kurveninneren lenkbaren Rades und/oder ein überproportionaler Lenkeinschlag des kurvenäußeren Rades ermöglicht wird. Die lenkbaren Räder neigen dann zu einem gewissen Übersteuern. Die Spurstangen-Korrekturstrebe wird bevorzugt von einem separaten Aktuator oder Elektromotor der elektrischen Servolenkung in ihrer Länge verstellt, kann aber auch automatisch durch einen zwangsweisen Antrieb der Lenkkinematik bei Vergrößerung des Lenkwinkels betätigt sein.

Die tatsächliche Rückstellkraft der lenkbaren Räder wird Null oder negativ, wobei unter der Rückstellkraft die Summe aller äußeren Kräfte, die sich durch das In einanderwirken von Reifennachlauf, Spurdifferenzwinkel, Lenkfehler und weiterer Parametern, die die räumliche Positionierung der lenkbaren Räder bestimmen, wie Spreizung usw., ergeben, definiert ist.

Zur Ermittlung des fahrsituationsabhängigen Sollrückstellmoments, das die aktuelle, tatsächliche Rückstellkraft zumindest näherungsweise oder exakt berücksichtig, wird von der Recheneinheit bevorzugt eine Spurstangenkraft herangezogen, die durch Kraftsensoren an einer Spurstange der elektrischen Servolenkung oder an einem mit dieser wirkverbundenen Element der Lenkkinematik angeordnet sind. Eine fehlende oder beeinträchtigte mechanische Lenkrückstellung wird von der Recheneinheit auf diese Weise berücksichtigt. Es kann auch zweckmäßig sein hierzu den aktuellen Motorstrom für den Elektromotor der Servolenkung zu messen und zu erfassen.

Die Recheneinheit ermittelt das fahrsituationsabhängige Sollrückstellmoment und beaufschlagt den Elektromotor mit dem Sollrückstellmoment. Das Sollrückstellmoment kann auch zweckmäßig anhand von abgespeicherten Kennlinien in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel und/oder der Lenkgeschwindigkeit und/oder von dem Lenkmoment und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden, wobei die Kennlinien durch mindestens abschnittsweise definierte Funktionen und/oder Wertetabellen definiert sind. Auf diese Weise wird ein aktiver Rücklauf der lenkbaren Räder dargestellt, der ohne leistungssteigernde Maßnahmen an dem Bordnetz des Fahrzeugs darstellbar ist. Die Recheneinheit kann das fahrsituationsabhängige Sollrückstellmoment in einem definierten Lenkwinkelbereich, der insbesondere zwischen dem maximalen Lenkwinkel und dem größten Lenkwinkel des Mittenbereichs liegt, oder über den gesamten Lenkwinkelbereich ermitteln. Das ermittelte Sollrückstellmoment kann linearen oder nicht linearen Kennlinien zugrunde liegen.

Die elektrische Servolenkung weist einen von der Spurstange und mit dieser gelenkig verbundenen Spurhebel eingeschlossenen Winkel bei einem kurveninneren lenkbaren Rad von höchstens etwa 170° auf. Auf diese Weise ist eine Strecklage dieser Bauteile der Lenkkinematik sicher vermieden und eine Lenkungsrückstellung gewährleistet.

Die erfindungsgemäße elektrische Servolenkung kann in einem Personenkraftwagen oder in einem insbesondere leichten Nutzkraftwagen, als Hilfskraft- oder auch als Fremdkraftlenkung konzipiert, eingebaut werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt. In der Zeichnung zeigt:
1 die Zahnstangenkraft aufgetragen über den Lenkwinkel bei verschiedener Lenkkinematik,
2 eine schematische Draufsicht auf eine ausschnittsweise dargestellte Vorderachse eines Fahrzeugs.
In 1 ist die Zahnstangenkraft F über dem Lenkwinkel δ aufgetragen, wobei der innere oder äußere Lenkwinkel gemeint ist. Die gestrichelte Kurve A zeigt die Zahnstangenkraft F bei einer elektrischen Servolenkung mit einer Lenkkinematik, die die Ackermann-Bedingung erfüllt, wobei zu maximalen Lenkwinkeln δ_max von lenkbaren Rädern 3 hin (vgl. 2) die Zahnstangenkraft F einen starken Anstieg erfährt, verbunden mit einem entsprechend großem Leistungsbedarf des Elektromotors der Servolenkung. Die durchgezogene Kurve B zeigt die Zahnstangenkraft F aufgetragen über dem Lenkwinkel δ bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkung 1 (2), die beispielsweise eine Strecklage von Spurstange 4 und Spurstangenhebel 5 vermeidet, indem der von der Spurstange 4 und dem Spurstangenhebel 5 eingeschlossenen Winkel φ_i nicht größer als 170°.
Die 2 verdeutlicht in einer schematischen Draufsicht auf eine ausschnittsweise dargestellte, als Vorderachse gebildete Achse 2 eines Fahrzeugs diese Details bei der Spurstange 4 und dem Spurstangenhebel 5. Die Spurstange 4 ist gelenkig mit einer von dem Elektromotor der elektrischen Servolenkung 1 axial verschiebbaren Zahnstange 6 verbunden.
BEZUGSZEICHENLISTE EM Nr.058n

Claims

Elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug, mit zumindest zwei an einer Achse (2) angeordneten lenkbaren Rädern (3) zu deren Lenkwinkelverstellung von einem Elektromotor ein Moment bereitgestellt ist, und mit einer Recheneinheit zur Ermittlung eines fahrsituationsabhängigen Sollrückstellmoments für den Elektromotor und zur Beaufschlagung des Elektromotors mit einem Signal für das fahrsituationsabhängige Sollrückstellmoment, dadurch gekennzeichnet, dass die lenkbaren Räder (3) so an der Achse (2) gelagert sind, dass sie die Ackermann-Bedingung nicht erfüllen und durch die Recheneinheit die tatsächliche Rückstellkraft der lenkbaren Räder (3) bei der Ermittlung des fahrsituationsabhängigen Sollrückstellmoments zumindest näherungsweise berücksichtigt ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lenkbaren Räder (3) des Fahrzeugs mit Hilfe einer Lenkkinematik so gelenkt sind, dass bei Lenkwinkeln (δ) um den Mittenbereich bei Geradeausfahrt des Fahrzeugs der Vorderwagen im Bereich der Achse (2) des Fahrzeugs angehoben wird und bei größeren Lenkwinkeln (δ) außerhalb des Mittenbereichs der Vorderwagen im Bereich der Achse (2) des Fahrzeugs abgesenkt wird.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben des Vorderwagens des Fahrzeugs bei Lenkwinkeln (δ) um den Mittenbereich durch die Wahl der Spreizung der Lenkachse und des Lenkrollradius der lenkbaren Räder (3) und/oder durch die Wahl des Spurhebelwinkels bewirkt wird.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Servolenkung (1) eine Spurstangen-Korrekturstrebe aufweist, deren Länge über den gesamten Lenkwinkelbereich so verändert wird, dass ein direkter Eingriff in die Lenkkinematik in dem Sinne ausgeübt ist, dass um den Mittenbereich und bei Geradeausfahrt der Vorderwagen angehoben und bei größeren Lenkwinkeln (δ) bis hin zum maximalen Lenkwinkel (δ_max) der Vorderwagen abgesenkt wird.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spurstangen-Korrekturstrebe von dem Elektromotor oder von einem weiteren Aktuator der elektrischen Servolenkung (1) betätigt ist.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximalem Lenkwinkel (δ_max) der Vorderwagen maximal abgesenkt ist.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit eine Spurstangenkaft (F) der elektrischen Servolenkung (1) erfaßt ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Spurstangenkraft (F) Kraftsensoren an einer Spurstange (4) oder an einem mit dieser wirkverbundenen Element der Lenkkinematik angeordnet sind.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Spurstangenkraft (F) von der Recheneinheit der Motorstrom des Elektromotors der elektrischen Servolenkung (1) erfaßt ist.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das fahrsituationsabhängige Sollrückstellmoment von der Recheneinheit in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel (δ) und/oder von der Lenkgeschwindigkeit und/oder von der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder von dem Lenkmoment ermittelt ist.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinheit das fahrsituationsabhängige Sollrückstellmoment in einem definierten Lenkwinkelbereich ermittelt ist.
Elektrische Servolenkung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Lenkwinkelbereich zwischen dem maximalen Lenkwinkel (δ_max) und dem größten Lenkwinkel des Mittenbereichs liegt.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Spurstange (4) und einem Spurhebel (5) eingeschlossene kurveninnere Winkel (φ_i) nicht größer als etwa 170° ist.
Elektrische Servolenkung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Servolenkung (1) in einem Personenkraftwagen oder in einem leichten Nutzkraftwagen eingebaut ist und als Hilfskraft- oder Fremdkraftlenkung ausgebildet ist.