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Die
Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
mit einem hydraulischen Lenkgetriebe und einer Hydraulikpumpe zur
Betätigung des hydraulischen Lenkgetriebes gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Lenksystems.
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Eine
Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen lässt
sich insbesondere über verbrauchsarme Nebenaggregate realisieren.
Bei Nutzfahrzeugen kann dabei im Bereich der Lenkung eine Fördermenge
eines hydraulischen Volumenstroms zur Lenkunterstützung
durch unterschiedliche Maßnahmen zumindest temporär
reduziert werden. Bisherige Systeme müssen allerdings einen
mindest notwendigen Volumenstrom fördern, da das Lenksystem
keine Information bezüglich eines möglichen Lenkvorhabens
besitzt. Aufgrund des notwendigen hohen Ansprechbedarfs beziehungsweise
der jederzeit notwendigen Servounterstützung, ist eine
komplette Abschaltung der Lenkhydraulik nicht möglich,
da die Servounterstützung für plötzlich
auftretende Lenkmanöver stets zur Verfügung stehen
muss.
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Aus
der
DE 102 39 143
A1 ist eine Lenkhelfvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
mit einer Lenkhelfpumpe, einem Hydraulikkreislauf mit einem Drehschieberventil
und diesem zugeordnete Lenkzylinder sowie ein Regelventil zum bedarfsabhängigen
Einstellen eines Volumenstroms eines Hydraulikmediums bekannt. Das
Regelventil ist druckseitig in oder an der Lenkhelfpumpe derart
angeordnet, dass es den von der Lenkhelfpumpe kommenden Volumenstrom
zumindest in einen ersten Basisteilstrom und einen zweiten Regelteilstrom
aufteilt. Der Basisteilstrom ist unabhängig vom Betriebszustand
des Regelventils, während der Regelteilstrom abhängig
vom Betriebszustand des Regelventiles ist. Hierdurch soll eine Servounterstützung
unabhängig vom Regelventil möglich sein, bei gleichzeitiger
Regelung der Lenkhelfpumpe, um einen bedarfsgerechten Volumenstrom
des Hydraulikmediums zur Verfügung zu stellen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein gattungsgemäßes Lenksystem eine
verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere
zu einem kraftstoffreduzierten Betrieb eines mit einem derartigen
Lenksystem ausgestatteten Kraftfahrzeuges führt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei lediglich geringen
Lenkunterstützungsanforderungen, wie sie beispielsweise
bei einer Autobahnfahrt erforderlich sind, diese ausschließlich
von einer elektrischen Stelleinrichtung erbringen zu lassen und
einen durch ein hydraulisches Lenkgetriebe des erfindungsgemäßen
Lenksystems fließenden Hydraulikstrom auf Null zu reduzieren.
Das erfindungsgemäße Lenksystem weist ein übliches
hydraulisches Lenkgetriebe sowie eine Hydraulikpumpe zur Betätigung
des hydraulischen Lenkgetriebes auf, welches die erforderliche Lenkarbeit insbesondere
bei hohen Lenkmomenten, großen Lenkwinkeln sowie hohen
Lenkgeschwindigkeiten übernimmt. Das Lenksystem weist außerdem
obengenannte elektrische Stelleinrichtung zur Lenkunterstützung,
eine steuerbare Ventileinrichtung, welche einen durch das hydraulische
Lenkgetriebe fließenden Hydraulikstrom steuert sowie eine
Erfassungseinrichtung auf, welche fahrspezifische Parameter erfasst
und diese gleichzeitig an eine Rechner-/Steuerungseinrichtung weiterleitet.
Die Rechner-/Steuerungseinrichtung ist dabei derart ausgebildet,
dass sie die Ventileinrichtung in Abhängigkeit der von
der Erfassungseinrichtung übermittelten fahrspezifischen
Parameter steuert und bei einer Unterschreitung eines vordefinierten
Unterstützungsgrenzwertes den durch das hydraulische Lenkgetriebe fließenden
Hydraulikstrom auf Null reduziert, so dass die dann erforderliche
Lenkarbeit ausschließlich von der elektrischen Stelleinrichtung
erbracht werden muss. Das Lenksystem ermöglicht es somit,
bei kleinen Lenkunterstützungsanforderungen, welche üblicherweise
durch die elektrische Stelleinrichtung allein geleistet werden können,
den Volumenstrom durch das hydraulische Lenkgetriebe auf Null zu
reduzieren, indem die Ventileinrichtung den Zustrom zum hydraulischen
Lenkgetriebe schließt, so dass der weiterhin von der Hydraulikpumpe geförderte
Volumenstrom über eine Bypassleitung in ein Hydraulikreservoir
zurückfließen kann. Hierbei werden der Durchflussgegendruck
und die damit verbundene Blindleistung durch das Lenkgetriebe minimiert
und gleichzeitig eine hohe Kraftstoffeinsparung erreicht.
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Zweckmäßig
ist der fahrspezifische Parameter eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder
eine Quer-/Längsbeschleunigung und/oder ein Lenkwinkel
und/oder eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit. Da die fahrspezifischen
Parameter die Grundlage für die Steuerung der Ventileinrichtung
durch die Rechner-/Steuerungseinrichtung bildet, werden hier unterschiedliche
Grenzwerte festgelegt, bei welchen beispielsweise ein Volumenstrom
durch das hydraulische Lenkgetriebe zu 100%, zu 70 bis 100%, zu
30 bis 70% oder gar nicht erfolgt. eine 100%ig offene Stellung wird
beispielsweise bei geringen Fahrgeschwindigkeiten und/oder beim Rangieren
gefordert, während die Ventileinrichtung den hydraulischen
Volumenstrom zum hydraulischen Lenkgetriebe vollständig
stoppt, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise hohe Geschwindigkeiten,
wie sie auf einer Autobahn erzielt werden, aufweist. In diesem Fall
werden lediglich kleine Lenkmomente und geringe Lenkwinkel erforderlich
sein, welche ausschließlich von der elektrischen Stelleinrichtung
erbracht werden können.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung ist die steuerbare Ventileinrichtung als Zwei-Wege-Ventil
oder Drei-Wege-Ventil ausgebildet, welches einen von der Hydraulikpumpe
geförderten Hydraulikstrom in einen, in das Hydraulikreservoir
zurückfließenden Teilstrom A und einen durch das
hydraulische Lenkgetriebe fließenden Teilstrom B aufteilt.
Hierbei ist denkbar, dass die Stellung des Zwei- oder Drei-Wege-Ventils
nicht nur von der Fahrgeschwindigkeit beziehungsweise der Lenkradgeschwindigkeit,
sondern auch von einem aktuellen Lenkgetriebedruck abhängig
ist, da ein Volumenströmungsverhältnis zwischen
den Teilströmen A und B von der Druckdifferenz beider Wege
abhängt. Bei dieser Ausführungsvariante kann auf
eine weitere, in der Bypassleitung angeordnete Ventileinrichtung,
beispielsweise auf ein Mengenbegrenzungsventil, verzichtet werden,
da die Aufteilung des von der Hydraulikpumpe geförderten
Hydraulikstroms in den in das Hydraulikreservoir zurückfließenden
Teilstrom A sowie den durch das hydraulische Lenkgetriebe fließenden
Teilstrom B einzig und allein durch die als Zwei- oder Drei-Wege-Ventil
ausgebildete Ventileinrichtung möglich ist. Dies bedeutet
eine Reduktion der Teilevielfalt und daher eine Senkung der Kosten.
Vorzugsweise kann eine derartige Ventileinrichtung beispielsweise
als elektromagnetisches Zwei- oder Drei-Wege-Proportionalventil
ausgebildet sein.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche
oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Lenksystems,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform.
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Entsprechend
den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßes
Lenksystem 1 für ein im übrigen nicht
dargestelltes Kraftfahrzeug ein hydraulisches Lenkgetriebe 2 sowie
eine Hydraulikpumpe 3 zur Betätigung des hydraulischen
Lenkgetriebes 2 auf. Das hydraulische Lenkgetriebe 2 wirkt
auf eine Lenkspindel 4 und bewirkt dadurch die Lenkung
des Kraftfahrzeuges. Vom hydraulischen Lenkgetriebe 2 wird
dabei die Hauptlenkarbeit übernommen, während
von einer elektrischen Stelleinrichtung 5 ein zusätzliches
Lenkmoment auf die Lenkspindel 4 ausgeübt werden
kann. Die elektrische Stelleinrichtung 5 ist dabei zur
Lenkunterstützung bei großen Lenkmomenten oder
zum alleinigen Lenken bei sehr kleinen Lenkmomenten ausgebildet
und mit einer Rechner-/Steuerungseinrichtung 6 verbunden.
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In
der Hydraulikleitung zwischen der Hydraulikpumpe 3 und
dem hydraulischen Lenkgetriebe 2 ist eine steuerbare Ventileinrichtung 7 vorgesehen,
welche einen durch das hydraulische Lenkgetriebe 2 fließenden Hydraulikstrom
steuert. Darüber hinaus ist eine Erfassungseinrichtung 8 vorgesehen,
welche so ausgebildet ist, dass sie fahrspezifische Parameter erfasst
und an die Rechner-/Steuerungseinrichtung 6 weiterleitet.
In den 1 und 2 ist dabei die Erfassungseinrichtung 8 im
Bereich der Lenkspindel 4 angeordnet und dadurch insbesondere
zur Erfassung einer Lenkradwinkelgeschwindigkeit beziehungsweise
eines Lenkradwinkels vorgesehen. Denkbar ist auch, dass die Erfassungseinrichtung 8 darüber
hinaus beispielsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine
Quer-/Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeuges erfasst und
an die Rechner-/Steuerungseinrichtung 6 übermittelt.
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Erfindungsgemäß ist
nun die Rechner-/Steuerungseinrichtung 6 derart ausgebildet,
dass sie die Ventileinrichtung 7 in Abhängigkeit
der von der Erfassungseinrichtung 8 ermittelten fahrspezifischen
Parameter steuert und bei Unterschreitung eines Unterstützungsgrenzwertes
den durch das hydraulische Lenkgetriebe 2 fließenden
Hydraulikstrom auf Null reduziert, so dass die dann erforderliche
Lenkarbeit ausschließlich von der elektrischen Stelleinrichtung 5 erbracht
werden muss.
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Gemäß 1 ist
dabei die steuerbare Ventileinrichtung 7 als Durchgangsventil
ausgebildet, wobei in Flussrichtung vor der Ventileinrichtung 7 eine
Bypassleitung 9 abzweigt, die mit einem Hydraulikreservoir 10 verbunden
ist. Im Bereich der Bypassleitung 9 ist dabei eine weitere
Ventileinrichtung 7', welche beispielsweise als Mengenbegrenzungsventil
ausgebildet ist, angeordnet. Die Hydraulikpumpe 3 fördert
in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl einen bestimmten
konstanten Volumenstrom. Bis zu einem bestimmten Volumenstrom wird
der Hydraulikvolumenstrom durch das Lenkgetriebe 2 gefördert,
während bei Überschreiten eines bestimmten Grenzvolumenstroms
(höhere Pumpendrehzahl) der Druck an der Ventileinrichtung 7 aufgrund
der Drosselwirkung ansteigt, so dass der über dem Grenzvolumenstrom
liegende Volumenstrom über die Bypassleitung 9 zurück
in das Hydraulikreservoir 10 gefördert wird. Die
zusätzliche Ventileinrichtung 7', welche mit einem
Steuerstrom versorgt wird, stellt dabei sicher, dass auch bei ansteigendem
Lenkgetriebedruck der Hydraulikstrom nicht direkt in die Bypassleitung 9 gefördert
wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Lenksystem 1 ist
es möglich, bei kleinen Lenkunterstützungsanforderungen – es
wird nur eine geringe Lenkunterstützung gefordert, die
allein durch die elektrische Stelleinrichtung 5 geleistet
werden kann – den Volumenstrom durch das Lenkgetriebe 2 auf
Null zu reduzieren, indem die Ventileinrichtung 7 vollständig
schließt. Während diesem Zustand wird die Lenkunterstützung
alleine durch die wirkungsgradgünstigere elektrische Stelleinrichtung 5 geleistet.
Der hydraulische Volumenstrom wird dagegen vollständig
in die Bypassleitung 9 und über diese in das Hydraulikreservoir 10 geleitet.
Der Durchflussgegendruck und die damit verbunden Blindleistung durch
das Lenkgetriebe wird minimiert, die maximal mögliche Kraft
durch Einsparung des Lenksystems 1 wird optimiert. Die
Regelung der Ventileinrichtung 7' erfolgt dabei vorzugsweise
kennfeldbasiert, insbesondere in der Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit,
dem Lenkradwinkel, sowie der Lenkradwinkelgeschwindigkeit. Grundsätzlich
kann für die Regelung gesagt werden, dass mit steigender
Fahrgeschwindigkeit die maximalen Lenkradwinkel abnehmen und somit
die notwendige Serverunterstützung minimiert werden kann.
Der Volumenstrom beziehungsweise die Öffnung der Ventileinrichtung 7 kann
mit steigender Geschwindigkeit reduziert werden. Wird eine bestimmte
Grenzgeschwindigkeit überschritten, das heißt
ein Unterstützungsgrenzwert unterschritten, kann die hydraulische
Lenkunterstützung komplett abgeschaltet werden, wobei die
dann erforderliche Lenkarbeit ausschließlich von der elektrischen
Stelleinrichtung 5 erbracht werden kann.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 2 ist
die steuerbare Ventileinrichtung 7 als Zwei-Wege-Ventil ausgebildet,
welches einen von der Hydraulikpumpe 3 geförderten
Hydraulikstrom in einen, in das Hydraulikreservoir 10 zurückfließenden
Teilstrom A und einen durch das hydraulische Lenkgetriebe 2 fließenden
Teilstrom B aufteilt. Hierdurch kann die weitere Ventileinrichtung 7' in
der Bypassleitung 9 eingespart werden. Dabei kann die Ventileinrichtung 7 gemäß der 1 als
elektromagnetisches Einwegeventil ausgebildet sein, während
die Ventileinrichtung 7 gemäß der 2,
wie erwähnt, als Zwei-Wege-Ventil ausgebildet ist.
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Alternativ
kann bei der Ausführung nach 2 auch ein
Drei-Wege-Ventil als Ventileinrichtung 7 dienen, das insbesondere
als Drei-Wege-Proportional-Stromregelventil ausgeführt
ist. Dadurch kann die Anzahl der in bisher bekannten Systemen verwendeten
Hydraulikkomponenten wie eine Hautstromdrossel zur Begrenzung des
Systemvolumenstroms, Druckbegrenzungsventile, sowie ein Regelventil
reduziert und durch das Drei-Wege-Ventil ersetzt werden.
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In
der vollständig geschlossenen Stellung des Drei-Wege-Ventils
fließt der gesamte Volumenstrom durch die Bypassleitung 9.
In der vollständig geöffneten Stellung des Drei-Wege-Ventils
fließt der gesamte Volumenstrom zum Lenkgetriebe 2.
Zwischen diesen beiden Extremstellungen kann der von der Hydraulikpumpe 3 zur
Verfügung gestellte Volumenstrom stufenlos in die beiden
Teilströme A und B aufgeteilt werden. Diese Aufteilung
bleibt auch bei sich ändernden Druckverhältnissen
konstant, da das Drei-Wege-Ventil eine integrierte Druckkompensation
aufweist. Wenn die im Ventil verwendete Stromblende zur Aufteilung
des eingehenden Volumenstromes in die beiden Teilströme
A, B scharfkantig ausgeführt ist, haben Viskositätsänderungen
des Hydrauliköls nahezu keinen Einfluss auf die Volumenstromregelung.
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Die
Stellung der Ventileinrichtung
7 erfolgt dabei, wie erwähnt,
in Abhängigkeit sogenannter fahrspezifischer Parameter,
wie sie beispielsweise in nachfolgender Tabelle 1 dargestellt sind. Tabelle 1: Übersicht der Lenkcharakteristik
in Abhängigkeit vom Fahrzustand
| | Rangieren
0–10 km/h | Stadtfahrt
10–50 km/h | Landstraße
50–70 km/h | Autobahn
70–90 km/h |
| Stellung
E-Ventil | 100%
offen | 70–100%
offen | 30–70%
offen | 0%
offen |
| Aktor | Unterstützung
zur 100%-igen Hydraulikunterstützungsleistung | Inaktiv
(ggf. verbessertes Lenkverhalten) | Inaktiv
(ggf. verbessertes Lenkverhalten) | Direktres
Lenkgefühl |
| Hydraulikgetriebe | 100%-ige
Hydraulikleistungsunterstützung mit max. Volumenstrom, wenn
gefordert | 100%-ige
Hydraulikleistungsunterstützung mit angepasstem Volumenstrom,
wenn gefordert | 100%-ige
Hydraulikleistungsunterstützung mit angepasstem Volumenstrom,
wenn gefordert | inaktiv |
| Volumenstrom durch
Lenkgetriebe | Maximal | Normal | Minimal | Null |
| Lenkcharakteristik | Hohe
Lenkmomente
Hohe Lenkwinkel
Hohe Lenkgeschwindigkeiten | Unterschiedlich hohe
Lenkmomente
Unterschiedlich hohe Lenkwinkel
Unterschiedlich hohe
Lenkgeschwindigkeiten | Kleine-mittlere Lenkmomente
Kleine-mittlere Lenkwinkel
Teilweise
hohe Lenkgeschwindigkeiten | Kleine
Lenkmomente
Kleine Lenkwinkel
Teilweise hohe Lenkgeschwindigkeiten
zum Korrigieren |
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Die
Stellung der Ventileinrichtung 7 gemäß der 2 ist
von der in Tabelle 1 beschriebenen Größen sowie
vom aktuellen Lenkgetriebedruck abhängig, da das Volumenströmungsverhältnis
zwischen Teilstrom A und Teilstrom B von der Druckdifferenz beider
Wege abhängt. Würde der Druck beispielsweise im
Teilstrom B steigen, ohne dass der Druck im Teilstrom A, also in
der Bypassleitung 9, entsprechend steigt, würde
der Volumenstrom bei Beibehaltung der Stellung der Ventileinrichtung 7 im
Teilstrom A steigen. In diesem Fall müsste der Ausgleich
durch die Verstellung der Ventileinrichtung 7 in die Richtung
größeres Fördervolumen Teilstrom B kompensiert
werden.
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Zur
Bestimmung des Hydraulikgetriebedrucks in Abhängigkeit
von der Fahrsituation ist beispielsweise entweder ein Drucksensor
als direkte Messgröße geeignet, oder ein Lenkmomentensensor
als indirekte Messgröße. Vorteil einer indirekten
Messung wäre dabei, dass mit bestehenden Seriensensoren
auf den Lenkgetriebedruck rückgeschlossen werden könnte.
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Durch
das erfindungsgemäße Lenksystem 1 ist
ein besonders kraftstoffoptimiertes Fahren möglich, da insbesondere
Nutzfahrzeuge häufig auf Autobahnen unterwegs sind und
dabei lediglich geringe Lenkunterstützungskräfte,
beispielsweise bei einem Spurwechsel, erfordern. Diese sehr geringen
Lenkunterstützungskräfte könnten problemlos
von der elektrischen Stelleinrichtung 5 übernommen
werden, so dass nicht zwingend erforderlich ist, dass das hydraulische
Lenkgetriebe 2 ständig unter hohem hydraulischem
Druck betrieben wird. Vielmehr ist es möglich, durch Stellung
der Ventileinrichtung 7 den das Lenkgetriebe 2 durchfließenden
Hydraulikstrom in bestimmten Situationen vollständig abzuschalten.
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkgetriebe
- 3
- Hydraulikpumpe
- 4
- Lenkspindel
- 5
- elektrische
Stelleinrichtung
- 6
- Rechner-/Steuerungseinrichtung
- 7
- Ventileinrichtung
- 8
- Erfassungseinrichtung
- 9
- Bypassleitung
- 10
- Hydraulikreservoir
- A
- in
das Hydraulikreservoir 10 zurückfließender
Teilstrom
- B
- in
das hydraulische Lenkgetriebe 2 weiterfließender
Teilstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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