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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulisch unterstützten Lenksystems eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein hydraulisch unterstütztes Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Lenksysteme für Kraftfahrzeuge mit Lenkkraftunterstützung sind allgemein bekannt. Derartige Lenksystem untergliedern sich insbesondere in hydraulische und elektromechanische Servo-Lenksysteme. Für schwere Nutzfahrzeuge sind insbesondere Block- oder Kugelmutterhydrolenkungen bekannt, die eine Drehbewegung ausgehend von einem Drehstab mittels eines Kugelgewindetriebs in eine Linearbewegung der Kugel- beziehungsweise Lenkmutter umwandeln, wobei die Verschiebung der Kugel- beziehungsweise Lenkmutter durch Zuführung eines Druckölstroms in einen von zwei Hydraulikzylinderräumen durchgeführt wird. Abhängig vom Drehzustand eines Ventilschiebers, der mit dem Drehstab verbunden ist, wird der Druckölstrom beeinflusst.
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Die elektromechanischen Lenksysteme zur Lenkkraftunterstützung andererseits sind überwiegend als Zahnstangenlenkungen ausgeführt, wobei die im Wesentlichen lineare Bewegung der Zahnstange in eine Schwenkbewegung der Räder übertragen wird. Eine Unterstützungskraft wird mit Hilfe eines elektrischen Motors über ein mechanisches Getriebe, beispielsweise ein Riemen- oder Schneckengetriebe auf die Zahnstange übertragen.
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Hydraulisch unterstützte Lenkgetriebe verwenden bekanntermaßen ein Lenkventil, das an den Drehstab des Lenksystems gekoppelt ist und dessen Öffnungsstellung die Unterstützungskraft über den Hydraulikzylinder vorgibt.
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Die
DE 10 2010 041 812 B4 offenbart beispielsweise ein Betriebsverfahren für ein hydraulisches Servo-Lenksystem mit einem Lenkventil.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulisch unterstützten Lenksystems für ein Kraftfahrzeug sowie das Lenksystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welche die Komplexität des Lenksystems hinsichtlich Komponentenanzahl und -aufbau reduzieren und gleichzeitig die Lenkqualität verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und ein Lenksystem nach dem Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Unterstützungskraft wird durch eine Hydraulikeinheit in Abhängigkeit von einem Ist-Lenkmoment und einem ermittelten Soll-Lenkmoment vorgegeben. Durch diese Lenkmoment-Regelung wird ein besseres Lenkgefühl für den Fahrzeugführer erreicht. Durch entsprechende Vorgabe des Soll-Lenkmoments können auch Assistenzsysteme, wie beispielsweise Parklenkassistenten realisiert werden.
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Da die Hydraulikeinheit in Abhängigkeit von einem ermittelten Ist-Lenkmoment und Soll-Lenkmoment die Unterstützungskraft vorgibt, kann sowohl ein Lenkventil wie auch die entsprechende Rohrleitungsanordnung des Lenkventils vorteilhaft entfallen, wodurch sich die Kosten des Lenksystems verringern und gleichzeitig die Anzahl von Verschleiß- und Fehlerquellen reduziert wird.
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Durch die hydraulisch direkte Verbindung zwischen Hydraulikeinheit und Hydraulikzylinder kann die Hydraulikeinheit zur Erzeugung des Fluidstroms bzw. Fluiddrucks vorteilhaft auch entfernt von dem Hydraulikzylinder oder anderen Teilen des Lenkgetriebes angeordnet werden, weshalb eine flexiblere Anordnung des gesamten Lenksystems beispielsweise im Motorraum ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Unterstützungskraft allein mittels eines Hydraulikzylinders in ein Lenkgetriebe des Lenksystems eingeleitet, was vorteilhaft ein Weglassen eines Hilfsmotors, der mechanisch beispielsweise über ein Getriebe mit dem Lenkgetriebe verbunden ist, ermöglicht.
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In einer Ausführungsform umfasst die Hydraulikeinheit eine unidirektionale Pumpe und eine Verteilereinheit, wobei die Verteilereinheit den unidirektionalen Fluidstrom ausgehend von der Pumpe in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment und dem Soll-Lenkmoment einem von zwei Hydraulikräumen des Hydraulikzylinders zuführt. Vorteilhaft ist dadurch kein Lenkventil und kein zusätzlicher Hilfsmotor nötig.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Hydraulikeinheit eine reversierbare Pumpe, die in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment und dem Soll-Lenkmoment einem von zwei Hydraulikräumen des Hydraulikzylinders Hydraulikfluid zuführt. Diese Ausführungsform ermöglicht ebenso vorteilhaft das Weglassen des Lenkventils.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Soll-Lenkmoment in Abhängigkeit von einem Lenkwinkel, einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt, was eine genauere Abstimmung der in das Lenkgetriebe eingeleiteten Unterstützungskraft in Abhängigkeit von dem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Lenkwinkel und/oder die Lenkwinkelgeschwindigkeit auf Basis einer durch die Hydraulikeinheit geförderten Fluidmenge ermittelt, weshalb ein entsprechender Sensor beispielsweise an dem Drehstab des Lenksystems weggelassen werden kann.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale bilden für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung und unabhängig von ihrer Formulierung oder Darstellung in der Beschreibung oder in den Figuren. Für funktionsäquivalente Merkmale werden in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1, 3 bis 5 eine schematische Darstellung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs; und
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2 einen schematisch dargestellten Teil eines Regelkreises.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenksystems 2 eines Kraftfahrzeugs. Ein Lenkmittel 4, beispielsweise ein Lenkrad, ist über einen Drehstab 6 mit einer Umsetzereinheit 8 verbunden. Die Umsetzereinheit 8 ist über eine mechanische Verbindung 10 mit einem Hydraulikzylinder 12 verbunden.
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Bei einer Ausführung des Lenksystems 2 als Zahnstangen-Hydrolenkung entspricht die mechanische Verbindung 10 einer Zahnstange und die Umsetzereinheit 8 umfasst ein mit dem Drehstab 6 verbundenes Antriebsritzel sowie die Zähne in der Zahnstange.
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Bei einer Ausführung des Lenksystems 2 als Kugelmutter-Hydrolenkung entspricht die mechanische Verbindung 10 einem Kolben innerhalb des Hydraulikzylinders 12, der durch seine Bewegung eine Segmentwelle zur Lenkbewegung antreibt. Die Umsetzereinheit 8 wird bei einer Kugelmutter-Hydrolenkung unter anderem durch eine Schnecke des Drehstabs 6, eine Kugelkette und den hierzu korrespondierenden Teil des Kolbens gebildet.
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Sowohl im Falle einer Zahnstangen-Hydrolenkung und einer Kugelmutter-Hydrolenkung oder aber einer anderen Ausführung des Lenksystems 2 dient die Umsetzereinheit 8 einer Umsetzung der Drehbewegung des Drehstabs 6 in eine zumindest im Wesentlichen lineare Bewegung der mechanischen Verbindung 10 und einer Umsetzung der im wesentlichen linearen Bewegung der mechanischen Verbindung 10 in die Drehbewegung des Drehstabs 6. Die mechanische Verbindung 10 ist in nicht gezeigter Form mit weiteren Teilen eines Lenkgetriebes verbunden, wobei mit Hilfe des Lenkgetriebes die Räder des Kraftfahrzeugs um ihre Lenkachse verschwenkt werden können. Das Lenkgetriebe kann des Weiteren die mechanische Verbindung 10, die Umsetzereinheit 8, den Drehstab 6 sowie den Hydraulikzylinder 12 umfassen.
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Mittels eines Sensors 14, der an dem Drehstab 6 angeordnet ist, wird ein Ist-Lenkmoment 16 ermittelt. Das Ist-Lenkmoment 16 wird beispielsweise mittels des Sensors 14 und des Drehstabs 6 derart ermittelt, dass ein elastisches Element des Drehstabs 6 verdreht und dabei der Verdrehwinkel gemessen wird. In Abhängigkeit von dem Verdrehwinkel wird dann das Ist-Lenkmoment 16 ermittelt.
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Selbstverständlich kann das Ist-Lenkmoment 16 auch anhand anderer Signale des Sensors 14 in einem Steuergerät 18 ermittelt werden. Dem Steuergerät 18 werden weitere Signale 19a bis 19c, wie beispielsweise ein Lenkwinkel, eine Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit zugeführt oder im Steuergerät 18 ermittelt.
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Eine Hydraulikeinheit 20 ist hydraulisch direkt mit dem Hydraulikzylinder 12 verbunden. Die Hydraulikeinheit 20 ist insbesondere jeweils direkt mit einem ersten Hydraulikraum 22 und einem zweiten Hydraulikraum 24 des Hydraulikzylinders 12 verbunden. Die hydraulisch direkte Verbindung zwischen der Hydraulikeinheit 20 und dem Hydraulikzylinder 12 bedeutet, dass keine weiteren, den Fluidstrom bzw. Fluiddruck direkt beeinflussenden Elemente wie beispielsweise ein Lenkventil angeordnet sind. Ausgehend von dem Steuergerät 18 wird der Hydraulikeinheit 20 zumindest ein Steuersignal 26 zugeführt. Das Steuersignal 26 wird in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment 16, insbesondere in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment 16 und einem ermittelten Soll-Lenkmoment, ermittelt. Das hydraulisch unterstütze Lenksystem 2 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine gesamte Unterstützungskraft für das Lenksystem 2 allein mittels des Hydraulikzylinders 12 über die mechanische Verbindung 10 in das Lenkgetriebe eingeleitet wird und dass diese Unterstützungskraft durch die Hydraulikeinheit 20 mittels des Stellsignals 26 in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment 16 und dem Soll-Lenkmoment vorgegeben wird. Neben der Unterstützungskraft wirken die vom Fahrzeugführer über Lenkmittel 4 und Drehstab 6 eingebrachten Kraft und die von Rädern und Untergrund eingebrachten Kräfte auf das Lenkgetriebe.
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Die Unterstützungskraft dient zur Lenkkraftunterstützung, wobei die Unterstützungskraft sowohl die vom Fahrzeugführer in das Lenkgetriebe eingebrachte Kraft unterstützen, d.h. verstärken, kann, als auch entgegen der vom Fahrzeugführer in das Lenkgetriebe eingebrachten Kraft wirken, d.h. der vom Fahrzeugführer eingebrachte Kraft entgegenwirken, kann. Darüber dient das Einbringen der Unterstützungskraft auch der Darstellung von weiteren Lenkfunktionen wie beispielsweise einer Parkhilfsfunktion, bei der vom Fahrzeugführer keine Kraft in das Lenkgetriebe eingebracht wird.
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2 zeigt schematisch einen Teil 28 eines Regelkreises. Das Ist-Lenkmoment 16 und das bereits zuvor genannten Soll-Lenkmoment 30 werden zu einer Differenz 32 verknüpft. Die Differenz 32 wird einem Regler 34 zugeführt, wobei der Regler 34 das zumindest eine Stellsignal 26 ermittelt. Das zumindest eine Stellsignal 26 wird der Hydraulikeinheit 20 zugeführt. Mittels eines nicht dargestellten Messglieds, beispielsweise über den Sensor 14 aus 1, wird das Ist-Lenkmoment 16 ermittelt. Ebenso nicht dargestellt ist die Ermittlung des Soll-Lenkmoments 30, das insbesondere fahrsituationsabhängig, also in Abhängigkeit von einem Lenkwinkel, einer Lenkwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit von einer nicht dargestellten Einheit innerhalb des Steuergeräts 18 ermittelt wird. Das Verfahren zur Durchführung der beschriebenen Verfahrensschritte ist zur Ausführung in dem Steuergerät 18 durch ein Computerprogramm entsprechend ausgebildet, das auf einem digitalen Rechengerät des Steuergeräts 18 lauffähig ist.
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Der Lenkwinkel und/oder die Lenkwinkelgeschwindigkeit, beispielsweise des Drehstabs 6, kann in einer Ausführungsform auf Basis einer durch die Hydraulikeinheit 20 geförderten Fluidmenge ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise die Menge von Hydraulikfluid, die pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Abschnitt der Hydraulikeinheit 20 fließt mittels eines Durchflussmessers ermittelt. Dieser bestimmte Abschnitt kann beispielsweise ein Zu-/Abfluss für Hydraulikfluid zu/von einem der oder beiden Hydraulikräumen 22, 24 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Lenkwinkel oder die Lenkwinkelgeschwindigkeit mittels eines zusätzlichen Sensors beispielsweise an dem Drehstab 6 ermittelt werden.
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Die Unterstützungskraft, die über die mechanische Verbindung 10 in das Lenkgetriebe eingeleitet wird, wird gemäß dem Regelkreis 28 durch die Hydraulikeinheit 20 in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment 16 und dem Soll-Lenkmoment 30, insbesondere in Abhängigkeit von der Differenz des Ist-Lenkmoments 16 und des Soll-Lenkmoments 30, vorgegeben.
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3 zeigt schematisch ein Lenksystem 40 als Ausführungsform des Lenksystems 2 aus 1. Die Hydraulikeinheit 20 umfasst eine unidirektionale Pumpe 42, die durch einen Elektromotor 44 angetrieben wird. Parallel zur Pumpe 42 ist ein Bypass-Ventil 46 angeordnet, das im Fehlerfall entweder von dem Steuergerät 18 und/oder einer nicht dargestellten Einheit in seine Durchlassstellung gebracht werden kann. Das Bypass-Ventil 46 ist ein 2/2-Wegeventil mit zwei Schaltstellungen und zwei Anschlüssen, wobei eine erste Schaltstellung zwei gesperrte Anschlüsse umfasst und eine zweite Schaltstellung die beiden Anschlüsse in beiden Durchflussrichtungen verbindet.
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Die Pumpe 42 bezieht Hydraulikfluid aus einem Tank 48 und führt das Hydraulikfluid einer Verteilereinheit 50 zu. Dem Elektromotor 44 wird ausgehend von dem Steuergerät 18 ein Steuersignal 52 zugeführt. Der Verteilereinheit 50 wird ausgehend von dem Steuergerät 18 ein Steuersignal 54 zugeführt. Das Steuersignal 52 und das Steuersignal 54 werden in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment 16 und dem Soll-Lenkmoment 30 ermittelt. Entsprechend wird das Hydraulikfluid mittels der Pumpe 42 und der Verteilereinheit 50 einem von den zwei Hydraulikräumen 22, 24 des Hydraulikzylinders 12 zugeführt, um die Unterstützungskraft vorzugeben.
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Die Verteilereinheit 50 verbindet die Pumpe 42, den Tank 48 sowie die beiden Hydraulikräume 22 und 24 derart, dass in Abhängigkeit von dem Steuersignal 54 zum Einen der Fluidstrom ausgehend von der Pumpe 42 in einen der beiden Hydraulikräume 22 und 54 geleitet wird und zum Anderen der Fluidstrom ausgehend von dem anderen der beiden Hydraulikräume 22 und 24 dem Tank 48 zugeleitet wird.
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4 zeigt schematisch ein Lenksystem 60, das eine Ausführungsform des Lenksystems 40 aus 3 darstellt. Die Verteilereinheit 50 ist bei dem Lenksystem 60 als 4/3-Wegeventil 62 ausgebildet, dem das Steuersignal 54 zugeführt wird. Das 4/3-Wegeventil 62 umfasst drei Schaltstellungen. Die mittlere Schaltstellung verschließt das 4/3-Wegeventil 62 und die beiden weiteren Schaltstellungen ermöglichen jeweils durch eine entgegengesetzte Verschaltung die Zu- beziehungsweise Abfuhr von Hydraulikfluid bezüglich der Hydraulikräume 22 und 24. Das 4/3-Wegeventil 62 ändert mithin die Pumprichtung in den Leitungen zwischen dem 4/3-Wegeventil 62 und der Hydraulikeinheit 12.
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Das 4/3-Wegeventil 62 ist als 4/3-Wegeventil mit Sperr-Mittelstellung, zwei Endstellungen und ohne Zwischenstellungen ausgebildet. In der ersten, linken Endstellung ist der Ausgang der Pumpe 42 mit dem Hydraulikraum 22 verbunden, um diesem Hydraulikfluid zuzuführen, und der Hydraulikraum 24 ist mit dem Tank 48 verbunden, um diesem Hydraulikfluid zuzuführen. In der zweiten rechten, Endstellung ist der Ausgang der Pumpe 42 mit dem Hydraulikraum 24 verbunden, um diesem Hydraulikfluid zuzuführen, und der Hydraulikraum 22 ist mit dem Tank 28 verbunden, um diesem Hydraulikfluid zuzuführen. Selbstverständlich kann das Wegeventil 62 auch als 4/2-Wegeventil ohne die Sperr-Stellung ausgebildet sein.
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5 zeigt ein schematisch dargestelltes hydraulisch unterstütztes Lenksystem 70, das eine Ausführungsform des Lenksystems 2 aus 1 darstellt. Das Lenksystem 70 umfasst eine Ausführungsform der Hydraulikeinheit 20, die eine reversierbare Pumpe 72 umfasst. Zwischen den beiden Ausgängen der reversierbaren Pumpe 72 und den Hydraulikräumen 22 und 24 ist jeweils ein entsperrbares Rückschlagventil 74, 76 angeordnet. Die entsperrbaren Rückschlagventile 74 und 76 sind jeweils abhängig von dem Zustand der jeweils gegenüberliegenden Hydraulikleitung entsperrbar.
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Die reversierbare Pumpe 72 wird über einen Elektromotor 78 angetrieben. Dem Elektromotor 78 wird ein Steuersignal 82 ausgehend von dem Steuergerät 18 zugeführt, wobei das Steuersignal 82 in Abhängigkeit von dem Ist-Lenkmoment 16 und dem Soll-Lenkmoment 30 ermittelt wird. Analog zu den 3 und 4 ist parallel zu der Pumpe 72 in nicht dargestellter Form ein gleichartiges Bypass-Ventil angeordnet, dass der Funktion des Bypass-Ventils 46 entspricht.
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Zu beiden Seiten ist die Pumpe 72 mit einem Zweidruckventil 84 verbunden. Das Zweidruckventil 84 ist mit einem Tank 86 für Hydraulikfluid verbunden. Zur beispielhaft erläuterten Zuführung von Hydraulikfluid in den Hydraulikraum 22 fördert die Pumpe 72 Hydraulikfluid von einem rechten Zweig der in 4 dargestellten Hydraulikeinheit 20 in einen linken Zweig der Hydraulikeinheit 20. Die Einnahme einer Schaltstellung des Zweidruckventils 84 wird durch den anliegenden Druck von beiden Zweigen der Hydraulikeinheit 20 bestimmt. Im vorliegend beschriebenen Beispiel nimmt das Zweidruckventil 84 aufgrund des im Vergleich zum rechten Zweig höheren Drucks im linken Zweig eine Schaltstellung ein, die die Verbindung des Tanks 86 mit dem linken Zweig sperrt und die Verbindung des Tanks 86 mit dem rechten Zweig öffnet. Des Weiteren wird das entsperrbare Rückschlagventil 76 entsperrt, beispielsweise aufgrund der Druckabnahme in dem rechten Zweig. Mithin wird das vom rechten Zweig in den linken Zweig geförderte Hydraulikfluid dem Hydraulikraum 22 zugeführt und Hydraulikfluid aus dem Hydraulikraum 24 in den rechten Zweig der Hydraulikeinheit gefördert.
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Die Elektromotoren 44, 78 können beispielsweise als Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) oder als Asynchronmotoren (ASM) ausgestaltet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041812 B4 [0005]
