DE10307567A1

DE10307567A1 - Lenkvorrichtung mit einem eine Lenkkraft erzeugenden Lenkkraftsimulator

Info

Publication number: DE10307567A1
Application number: DE10307567A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Götz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2003-02-22
Filing date: 2003-02-22
Publication date: 2004-09-02
Also published as: GB2399325A; FR2852567B1; GB2399325B; FR2852567A1; GB0402406D0; JP2004249983A; JP4518379B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung mit einer Lenkhandhabe (1), die an einer drehbar gelagerten, mit einem elektrischen Lenksignalgeber in Wirkverbindung stehenden Lenkwelle (2) befestigt ist. Die Lenkvorrichtung verfügt ferner über einen eine Lenkkraft erzeugenden, auf die Lenkwelle (2) einwirkenden Lenkkraftsimulator, der als Reibungsbremse ausgebildet ist. Zwecks Funktionssicherheit und einfachen Aufbaus der Lenkvorrichtung weist erfindungsgemäß der Lenkkraftsimulator einen axial beweglichen Kolben (4) auf, der zur Steuerung der Flächenpressung mindestens eines Reibflächenpaars des Lenkkraftsimulators in Axialrichtung kraftbeaufschlagbar ist. Das Reibflächenpaar ist bevorzugt konisch ausgebildet und weist metallische Reibflächen auf. Ein in dem Kolben (4) stirnseitig angeordneter Innenkonus (4a) ist zur Aufnahme eines Außenkonus (2a) ausgebildet, der am unteren Ende der Lenkwelle (2) angeformt ist. Es sind mit dem Kolben (4) in Wirkverbindung stehende Mittel zum Erzeugen einer Vorspannkraft und Mittel zum Erzeugen einer Betriebskraft vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung mit einer Lenkhandhabe, die an einer drehbar gelagerten, mit einem elektrischen Lenksignalgeber in Wirkverbindung stehenden Lenkwelle befestigt ist, und mit einem eine Lenkkraft erzeugenden, auf die Lenkwelle einwirkenden Lenkkraftsimulator, der als Reibungsbremse ausgebildet ist.
In derartigen Lenkvorrichtungen gibt es keine mechanische Verbindung zwischen der Lenkwelle und den zu lenkenden Rädern eines Fahrzeugs. Vielmehr wird durch elektrische Signale des Lenksignalgebers eine elektrische oder elektrohydraulische Stellvorrichtung gesteuert, die mit den zu lenkenden Rädern gekoppelt ist. Diese sogenannte „by-wire"-Technologie kommt beispielsweise in Flurförderzeugen zum Einsatz.
Da es bei solchen Lenkvorrichtungen keine für den Fahrer an der Lenkhandhabe als Lenkkraft fühlbare Rückmeldung über eine Bewegung der zu lenkenden Räder gibt, wird ein Lenkkraftsimulator eingesetzt.

Eine gattungsgemäße Lenkvorrichtung ist in der DE 100 33 107 A1 beschrieben. Der dort als „Widerstandselement" bezeichnete Lenkkraftsimulator hat die Aufgabe, eine Lenkkraft zu erzeugen, die veränderlich ist und von verschiedenen Betriebsparametern abhängen kann, z. B. der Fahrgeschwindigkeit, der Betätigungsgeschwindigkeit der Lenkhandhabe (z. B. Lenkrad) und/oder dem Lenkwinkel. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Lenkkraftsimulator ein elektro-rheologisches und/oder ein magneto-rheologisches Fluid auf. Eine derartige Lenkvorrichtung ist allerdings relativ aufwendig und daher teuer.

Ferner ist in der genannten Druckschrift erwähnt, dass alternativ ein auf dem Prinzip der mechanischen Reibung arbeitender Dämpfer verwendet werden kann, bei dem die Reibungskraft über eine Vorspannung der Reibflächen veränderbar ist. Nähere Einzelheiten über die Konstruktion eines solchen Lenkkraftsimulators lassen sich der Druckschrift nicht entnehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lenkvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die funktionssicher und einfach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lenkkraftsimulator einen axial beweglichen Kolben aufweist, der zur Steuerung der Flächenpressung mindestens eines Reibflächenpaars in Axialrichtung kraftbeaufschlagbar ist.

Das Reibflächenpaar kann beispielsweise aus planen Reibflächen bestehen. Es kann jedoch gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhafter sein, wenn das Reibflächenpaar konisch ausgebildet ist. Mit Hilfe von konischen Reibflächen lässt sich durch gezielte Auslegung der Konizität platzsparend und einfach bei minimalem Bedienweg (Kolbenweg) eine geringe Bedienkraft des Lenkkraftsimulators erzielen, wobei dennoch eine relativ große Lenkkraft erreichbar ist.

Sofern die Reibflächen metallisch sind, ist der Lenkkraftsimulator praktisch verschleissfrei.

Der Lenkkraftsimulator weist mit Vorteil einen Außenkonus und einen in dem Kolben stirnseitig angeordneten Innenkonus auf, der zur Aufnahme des Außenkonus ausgebildet ist. Eine umgekehrte Anordnung mit an dem Kolben angeformten Außenkonus ist prinzipiell auch möglich.

Sofern der Außenkonus am unteren Ende der Lenkwelle angeformt ist, braucht kein separates Bauteil hergestellt und an der Lenkwelle befestigt zu werden.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Lenkkraftsimulator mit dem Kolben in Wirkverbindung stehende Mittel zum Erzeugen einer Vorspannkraft und Mittel zum Erzeugen einer Betriebskraft auf.

Hierbei kann die Betriebskraft gleichsinnig zur Vorspannkraft wirken. Es wird dann ein bestimmtes Grunddrehmoment erzeugt, das bei einer Drehbewegung der Lenkhandhabe (z. B. Lenkrad) stets wirksam ist. Ein durch die Betriebskraft erzeugtes zusätzliches Drehmoment ist hingegen variabel und wird abhängig von einem oder mehreren Betriebsparametern gesteuert.

In Umkehr dieses Prinzips ist es auch möglich, dass die Betriebskraft gegensinnig zur Vorspannkraft wirkt. Hierbei wird die Lenkwelle und damit die Lenkhandhabe durch eine relativ große Vorspannkraft zunächst blockiert. Die Betriebskraft hebt diese Blockierung gesteuert auf und reduziert die Lenkkraft auf das dem jeweiligen Betriebszustand angepasste Maß.

Besonders einfach lässt sich die Vorspannkraft durch eine Feder, insbesondere Druckfeder, aufbringen.

Die Betriebskraft kann sehr leicht dadurch erzielt werden, dass der Kolben hydraulisch beaufschlagbar ist.

Es ist aber auch möglich, zur Erzeugung der Betriebskraft den Kolben mechanisch zu beaufschlagen, insbesondere elektromechanisch.

Dabei ist es günstig, wenn mit dem Kolben ein Elektromagnet in Wirkverbindung steht, der an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung angeschlossen ist. Durch Ansteuerung des Elektromagneten mit Hilfe der Steuer- und/oder Regeleinrichtung lässt sich die Betriebskraft gezielt einstellen.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Endung liegt auf der dem Konus entgegengesetzten Seite des Kolbens eine Druckfeder und eine Kolbenstange an, deren kolbenfernes Ende mit einem ersten Hebelarm eines gelenkig gelagerten Hebels gekoppelt ist, dessen zweiter Hebelarm mit dem Elektromagnet in Verbindung steht. Durch geschickte Wahl der Hebelverhältnisse lässt sich eine Kraftverstärkung erzielen, so dass der für das Aufbringen der Betriebskraft vorhandene Elektromagnet relativ klein dimensioniert sein kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die von dem Lenkkraftsimulatorerzeugte Lenkkraft abhängig von der Drehgeschwindigkeit der Lenkwelle und/oder der Winkelstellung mindestens eines gelenkten Rades steuerbar ist.

Dadurch lassen sich mehrere Wirkungen erzielen: Bei zu schnellem Drehen des Lenkrads, also dann, wenn die gelenkten Räder der Drehbewegung der Lenkhandhabe nicht schnell genug folgen können, kann die Lenkkraft deutlich spürbar erhöht werden. Der Fahrer erhält also eine analoge Rückmeldung.

Ferner ist es möglich, die Lenkkraft zu erhöhen, wenn sich ein gelenktes Rad (oder beide) am Anschlag befindet. Schließlich kann auch die Lenkkraft proportional zum Einschlag der gelenkten Räder bzw. zum Drehwinkel der Lenkhandhabe gesteuert werden. Hierbei steigt bei Kurvenfahrt für kleine Lenkradien (großer Lenkeinschlag) die Lenkkraft zunehmend an. Dadurch wird beispielsweise bei einem Gabelstapler die Sicherheit gegen Umkippen erhöht. Auch eine zusätzliche Beeinflussung der Lenkkraft in Abhängigkeit von der vorhandenen Fahrgeschwindigkeit ist möglich.

Sofern der Kolben in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem die Lenkwelle gelagert ist, wird kein separates Gehäuse für den Lenkkraftsimulator benötigt.

Zweckmäßigerweise ist in dem Gehäuse auch der Lenksignalgeber angeordnet, beispielsweise axial zwischen zwei zur Lagerung der Lenkwelle vorgesehenen Wälzlagern.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse zumindest im Bereich des Kolbens flüssigkeitsdicht ausgebildet. Dadurch lässt sich der Kolben auf einfachste Weise mit unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit beaufschlagen, wobei durch Druckmodulation die Betriebskraft im gewünschten Maße gesteuert wird. Der Flüssigkeitsdruck kann von einem im Fahrzeug ohnehin vorhandenen System abgezweigt werden, wodurch sich der Aufwand auf eine geeignete Druckmodulationseinrichtung beschränkt.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung in einem Flurförderzeug, weil das Fahrverhalten und die Fahrsicherheit günstig beeinflusst werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Lenkvorrichtung und
2 einen Schnitt durch eine Variante der erfindungemäßen Lenkvorrichtung.
Die Lenkvorrichtung weist eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe 1 auf, die am Ende einer Lenkwelle 2 befestigt ist. Diese ist durch in den Figuren nicht dargestellte Wälzlager in einem Gehäuse 3 gelagert und weist an ihrem der Lenkhandhabe 1 entgegengesetzten Ende einen angeformten Außenkonus 2a auf. Ein in den Figuren nicht dargestellter Lenksignalgeber ist bevorzugt ebenfalls in dem Gehäuse 3 angeordnet.
Unterhalb der Lenkwelle 2 befindet sich in dem Gehäuse 3 ein gegen Verdrehung gesicherter, axial beweglicher Kolben 4, der auf seiner der Lenkwelle 2 zugewandten Stirnseite einen Innenkonus 4a aufweist, in den der Außenkonus 2a der Lenkwelle 2 eintaucht. Der Kolben 4 ist in Richtung zur Lenkwelle 2 durch eine Druckfeder 5 beaufschlagt, die eine Vorspannkraft erzeugt. Der Innenkonus 2a bildet in Verbindung mit dem Kolben 4 und dem eingearbeiteten Außenkonus 4a sowie einer noch zu beschreibenden Betätigungseinrichtung einen Lenkkraftsimulator. Je nachdem, wie groß die zwischen den konischen Reibflächen durch axialen Druck auf den Kolben 4 erzeugte Flächenpressung ist, lässt sich die Lenkhandhabe 1 mehr oder weniger leicht bzw. schwer verdrehen. Durch eine übergeordnete Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die mit der Betätigungseinrichtung des Kolbens 4 in Wirkverbindung steht, kann die Lenkkraft gezielt eingestellt werden.
Das flüssigkeitsdicht ausgeführte Gehäuse 3 ist am unteren Ende mit einem Anschluss 6 versehen, der mit einer Hydraulikleitung verbunden ist. Dadurch kann der mit einem Dichtring (Kolbenring) 7 versehene Kolben 4 gleichsinnig zur Vorspannkraft der Druckfeder 5 durch eine hydraulisch erzeugte Betriebskraft beaufschlagt werden.
Durch die Vorspannkraft und die Betriebskraft wird infolge der Wirkung des durch den Außenkonus 2a und den Innenkonus 4a gebildeten, bevorzugt metallischen und damit praktisch verschleissfreien Reibflächenpaars eine Lenkkraft erzielt, die der Betätigungskraft beim Drehen der Lenkhandhabe 1 entgegenwirkt und eine Rückmeldung für die Bedienperson bewirkt. Hierbei erzeugt die Vorspannkraft eine stets wirksame kleine Lenkkraft. Zusätzlich wird eine von verschiedenen Betriebsparametern abhängige Betriebskraft hydraulisch erzeugt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen von der Fahrgeschwindigkeit und/oder vom Lenkwinkel und/oder von der Lenkgeschwindigkeit (durch den Lenksignalgeber erfasst) abhängigen Lenkkraftanteil handeln. Um die Betriebskraft variieren zu können, wird der auf den Kolben einwirkende hydraulische Druck durch eine geeignete Vorrichtung moduliert.
Bei der in 2 dargestellten Variante der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung ist der Kolben 4 zur Erzeugung der Betriebskraft nicht hydraulisch in Richtung zur Lenkwelle 2 beaufschlagt, sondern elektromechanisch.
Zu diesem Zweck ist ein Elektromagnet 8 vorgesehen, der außerhalb des Gehäuses 3 befestigt ist und der mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht. Ein erster Hebelarm 9a eines am Gehäuse 3 gelenkig gelagerten Hebels 9 ist mit einer Kolbenstange 10 gekoppelt, die axial in das Gehäuse 3 eintaucht und dort gegen den Kolben 4 wirkt. Ein zweiter Hebelarm 9b des Hebels 9 ist mit dem Elektromagnet 8 gekoppelt.
Die konische Ausbildung des Reibflächenpaars erweist sich für die Betätigung des Kolbens 4 durch den Elektromagneten 8 als großer Vorteil, da nur ein minimaler Bedienweg (Weg des Kolbens 4 bzw. der Kolbenstange 10) erforderlich ist, um eine relativ große Flächenpressung zwischen dem Innenkonus 4a und dem Außenkonus 2a zu erzeugen und damit eine relativ große Lenkkraft. Der Elektromagnet 8 braucht daher nur einen relativ kleinen Hub auszuführen, was sich günstig auf dessen Baugröße und auch die Herstellkosten auswirkt.

Claims

Lenkvorrichtung mit einer Lenkhandhabe, die an einer drehbar gelagerten, mit einem elektrischen Lenksignalgeber in Wirkverbindung stehenden Lenkwelle befestigt ist, und mit einem eine Lenkkraft erzeugenden, auf die Lenkwelle einwirkenden Lenkkraftsimulator, der als Reibungsbremse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkkraftsimulator einen axial beweglichen Kolben (4) aufweist, der zur Steuerung der Flächenpressung mindestens eines Reibflächenpaars in Axialrichtung kraftbeaufschlagbar ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibflächenpaar konisch ausgebildet ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibflächen metallisch sind.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkkraftsimulator einen Außenkonus (2a) und einen in dem Kolben (4) stirnseitig angeordneten Innenkonus (4a) aufweist, der zur Aufnahme des Außenkonus (2a) ausgebildet ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkonus (2a) am unteren Ende der Lenkwelle (2) angeformt ist.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkkraftsimulator mit dem Kolben (4) in Wirkverbindung stehende Mittel zum Erzeugen einer Vorspannkraft und Mittel zum Erzeugen einer Betriebskraft aufweist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskraft gleichsinnig wirkend zur Vorspannkraft ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskraft gegensinnig wirkend zur Vorspannkraft ist.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder, insbesondere Druckfeder (5), als Mittel zum Erzeugen der Vorspannkraft vorgesehen ist.
Lenkvorrichtung nach einem der Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) hydraulisch beaufschlagbar ist.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mechanisch beaufschlagbar ist, insbesondere elektromechanisch.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kolben (4) ein Elektromagnet (8) in Wirkverbindung steht, der an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung angeschlossen ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der den Reibflächen entgegengesetzten Seite des Kolbens (4) eine Druckfeder und eine Kolbenstange (10) anliegt ist, deren kolbenfernes Ende mit einem ersten Hebelarm (9a) eines gelenkig gelagerten Hebels (9) gekoppelt ist, dessen zweiter Hebelarm (9b) mit dem Elektromagnet (8) in Verbindung steht.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Lenkkraftsimulator erzeugte Lenkkraft abhängig von der Drehgeschwindigkeit der Lenkwelle (2) und/oder der Winkelstellung mindestens eines gelenkten Rades steuerbar ist.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) in einem Gehäuse (3) angeordnet ist, in dem die Lenkwelle (2) gelagert ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (3) der Lenksignalgeber angeordnet ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) zumindest im Bereich des Kolbens (4) flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
Lenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Flurförderzeug.