DE4207719A1

DE4207719A1 - Fremdkraft-lenkanlage fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4207719A1
Application number: DE19924207719
Authority: DE
Inventors: Dieter Elser; Thomas Ebenhoech; Werner Tischer; Klaus Rief; Walter Kogel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1992-03-11
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2012-03-12
Also published as: DE4207719C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Fremdkraft-Lenkanlage für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Dabei wird die Lenkkraft ausschließlich von einer Energiequelle, ausgenommen die menschliche Muskelkraft, aufgebracht. An eine Lenkspindel ist eine Betätigungseinrichtung angeschlossen, durch die eine Stelleinrichtung für die Verstellung der lenkbaren Fahrzeugräder gesteuert wird. Die Betätigungseinrichtung wird durch eine Rückstelleinrichtung in ihre Neutralstellung zentriert.

Eine derartige Fremdkraft-Lenkanlage ist bekannt aus der DE-C2-36 07 709. Definitionsgemäß hat eine solche Fremdkraft-Lenkanlage keine mechanische Verbindung vom Lenkhandrad zu den gelenkten Fahrzeugrädern. In diesem Fall handelt es sich um eine hydrostatische Lenkanlage. Die Muskelkraft des Fahrers dient lediglich zum Verstellen eines Drehschiebers der Betätigungseinrichtung. Aus diesem Grunde ist das Fahrzeug bei einer Störung der Lenkanlage nicht mehr manövrierfähig. Die Einsatzgebiete einer derartigen Lenkanlage liegen deshalb vorwiegend bei langsam fahrenden Arbeitsmaschinen mit einer Höchstgeschwindigkeit von 30 km/h.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fremdkraft-Lenkanlage zu schaffen, bei der auch beim Auftreten eines Fehlers eines Teiles die sichere Funktion der Lenkung erhalten bleibt. Die Lenkanlage soll auch bei schnell fahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Fremdkraft-Lenkanlage gelöst. Die Lösung besteht insbesondere darin, daß die Betätigungseinrichtung zwei Lenkwinkelsensoren enthält für die durch mehrfache Redundanz sichergestellte Ermittlung eines Soll-Wertes für die Steuerung der Stelleinrichtung, daß die Betätigungseinrichtung einen Motor enthält für die Erzeugung eines auf die Lenkspindel wirkenden Rückwirkmomentes und daß der Motor und damit das Rückwirkmoment in Abhängigkeit von wenigstens einem aus dem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ermittelten Parameter gesteuert wird.

Durch die redundante Anordnung der beiden Lenkwinkelsensoren ist die Sicherheit auch bei einer Fehlfunktion eines der beiden Lenkwinkelsensoren gewährleistet. Das erzeugte Rückwirkmoment gibt dem Fahrer ein gutes und sicheres Lenk- und Fahrgefühl, so daß auch höhere Geschwindigkeiten zugelassen werden können.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Für einen sicheren Antrieb der beiden Lenkwinkelsensoren sind diese derart angeordnet, daß der eine Lenkwinkelsensor direkt an der Lenkspindel angeordnet ist, während der andere Lenkwinkelsensor durch eine Stirnrad-Übersetzungsstufe mit der Lenkspindel verbunden ist. Dabei kann der eine Lenkwinkelsensor für eine Feinauflösung und der andere für eine Grobauflösung ausgelegt sein. Es ist aber auch möglich, beide Auflösungsarten zusammen in den Lenkwinkelsensoren vorzusehen. Für eine Rückmeldung der Stellung der zu lenkenden Fahrzeugräder enthält die Stellvorrichtung wenigstens einen Sensor. Dort werden Parameter ermittelt für die Stellung der Fahrzeugräder. Mit Hilfe beispielsweise dieser Parameter wird der Motor in der Betätigungseinrichtung zur Erzeugung des Rückwirkmomentes gesteuert. Der Motor in der Betätigungseinrichtung ist zweckmäßigerweise ein Elektromotor. Dadurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß in der Fahrerkabine nur "saubere" Energie verwendet wird. Einen ähnlichen Vorteil bietet ein pneumatischer Motor für die Erzeugung des Rückwirkmomentes. Es ist jedoch auch ein hydraulischer Motor vorstellbar. Der Motor kann direkt oder über eine Übersetzungsstufe auf die Lenkspindel einwirken. Dadurch läßt sich die Größe des Motors und die Charakteristik des Rückwirkmomentes in Grenzen frei wählen.

Zur Lenkwinkelbegrenzung sind in der Betätigungseinrichtung für beide Lenkrichtungen Anschläge vorgesehen. Diese Anschläge können entweder als einstellbare mechanische Anschläge ausgebildet sein oder als "elektronische Anschläge", derart, daß bei Erreichen eines bestimmten Verdrehwinkels der Lenkspindel dem Elektromotor ein Signal zur Erhöhung des Rückwirkmomentes zugeführt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombinationen der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Betätigungseinrichtung der erfindungsgemäßen Fremdkraft-Lenkanlage in einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 den Querschnitt durch die Betätigungseinrichtung der Fig. 1 gemäß der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 und 4 Längsschnitte durch Betätigungseinrichtungen der Fremdkraft-Lenkanlage in weiteren Ausführungsbeispielen.

Die Fremdkraft-Lenkanlage besteht gemäß Fig. 1 im wesentlichen aus einer Betätigungseinrichtung 1 und wenigstens einer Stelleinrichtung 2 für die Verstellung der lenkbaren Fahrzeugräder 3.

Die Betätigungseinrichtung 1 enthält eine Lenkspindel 4, die in einem Gehäuse 5 drehbar gelagert ist. Die Lenkspindel 4 trägt einen ersten Lenkwinkelsensor 6 und eine Ritzelverzahnung 7. Die Ritzelverzahnung 7 kämmt mit einer Innenverzahnung 8 eines Hohlrades 10. Die Innenverzahnung 8 kämmt mit einer Antriebsverzahnung 11 eines zweiten Lenkwinkelsensors 12.

An dem Hohlrad 10 sind zwei Stifte 13 und 14 angeordnet, die mit zwei Anschlägen 15 und 16 zusammenwirken. Die Anschläge 15 und 16 sind im Gehäuse 1 auf zwei Spindeln 17 und 18 einstellbar.

Die Betätigungseinrichtung 1 enthält zusätzlich eine Rückstelleinrichtung 20. Die Rückstelleinrichtung 20 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Elektromotor 21, der über eine Abtriebsverzahnung 22 ein Zahnrad 23 antreiben kann, das mit der Lenkspindel 4 drehfest verbunden ist. Die Rückstelleinrichtung 20 ist erfindungsgemäß gleichzeitig eine Rückwirkeinrichtung, die im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert wird.

Von den Lenkwinkelsensoren 6 und 12 führen Signalleitungen 24, 25 bzw. 26, 27 zu einer zentralen Elektronikeinheit 28, die zur Verarbeitung, zur Verstärkung und zur Weiterleitung von Signalen eingerichtet ist. Zwei Signalleitungen 30 und 31 dienen zur Ansteuerung des Elektromotors 21.

Die Stelleinrichtung 2 besteht im wesentlichen aus einem Stellmotor 32, der über ein Proportionalventil 33 von einer Druckmittelquelle 34 beaufschlagt werden kann. Die Steuerung erfolgt über zwei Signalleitungen 35 und 36, die die zentrale Elektronikeinheit 28 mit dem Proportionalventil 33 verbinden. In der Stelleinrichtung 2, zweckmäßigerweise an dem Stellmotor 32, ist ein Sensor 37 angebracht für die Ermittlung eines Parameters für die Stellung der Fahrzeugräder und für dessen Weiterleitung über eine Signalleitung 38 an die zentrale Elektronikeinheit 28 und damit an den Elektromotor 21 der Betätigungseinrichtung 1.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können das Hohlrad 10 und die Anschläge 15 und 16 durch folgende Maßnahmen entfallen:

Die mechanischen Anschläge sind als "elektronische Anschläge" in dem ersten Lenkwinkelsensor 6 derart untergebracht, daß beim Erreichen eines bestimmten Verdrehwinkels der Lenkspindel 4 und damit des Lenkwinkelsensors 6 die zentrale Elektronikeinheit 28 diesen Verdrehwinkel erkennt und ein Signal zur Erhöhung des Rückwirkmomentes des Elektromotors 21 erzeugt. Der zweite Lenkwinkelsensor 12 wird von dem Stirnrad 23 der Rückstelleinrichtung 20 angetrieben.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 unterscheidet sich von dem Beispiel der Fig. 1 dadurch, daß der Elektromotor 21 und der aus dem Stirnrad 23 und der Abtriebsverzahnung 22 bestehende Stirntrieb ersetzt werden durch einen hydraulischen oder pneumatischen Motor 40, der über eine mechanische Übersetzungsstufe 41 mit der Lenkspindel 4 verbunden ist. Die Übersetzungsstufe 41 besteht aus einem Zahnstangenprofil 42, das auf einer Kolbenstange des Motors 40 angeordnet ist, und einer Ritzelverzahnung 43, die auf der Lenkspindel 4 angebracht ist.

Im folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Fremdkraft-Lenkanlage anhand des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 erläutert: Verdreht man über ein nicht dargestelltes Lenkhandrad die Lenkspindel 4, so erzeugen die Lenkwinkelsensoren 6 und 12 Signale, die einem Ist-Wert entsprechen. Diese Signale werden der zentralen Elektronikeinheit 28 zugeführt und nach der entsprechenden Verarbeitung und Verstärkung an das Proportionalventil 33 weitergeleitet. Das Proportionalventil 33 wird entsprechend verstellt, so daß der eine oder andere Druckraum des Stellmotors 32 mit Druckmittel beaufschlagt wird und die Fahrzeugräder 3 entsprechend verstellt werden. Über das Potentiometer 37 wird die Stellung der Fahrzeugräder 3 an die Elektronikeinheit 28 zurückgemeldet. Entsprechend diesem Signal und gegebenenfalls entsprechend weiterer Signale, die über den Fahrzustand des Fahrzeuges Auskunft geben, wie beispielsweise die Fahrzeuggeschwindikeit, den Beladungszustand, die Fahrbahnbeschaffenheit oder andere, wird der Elektromotor 21 angeregt, ein diesen Zuständen entsprechendes Rückwirkmoment auf die Lenkspindel 4 zu erzeugen. Zu dem Fahrzustand des Fahrzeugs gehören außerdem noch die Meßgrößen der jeweiligen Lenksituation, wie beispielsweise die Lenkgeschwindigkeit, die Stellung des Lenkhandrades u. a.

Bezugszeichen

1 Betätigungseinrichtung
2 Stelleinrichtung
3 Fahrzeugrad
4 Lenkspindel
5 Gehäuse
6 erster Lenkwinkelsensor
7 Ritzelverzahnung
8 Innenverzahnung
9 -
10 Hohlrad
11 Antriebsverzahnung
12 zweiter Lenkwinkelsensor
13 Stift
14 Stift
15 Anschlag
16 Anschlag
17 Spindel
18 Spindel
19 -
20 Rückstelleinrichtung
21 Elektromotor
22 Abtriebsverzahnung
23 Stirnrad
24 Signalleitung
25 Signalleitung
26 Signalleitung
27 Signalleitung
28 Elektronikeinheit
29 -
30 Signalleitung
31 Signalleitung
32 Stellmotor
33 Proportionalventil
34 Druckmittelquelle
35 Signalleitung
36 Signalleitung
37 Sensor
38 Signalleitung
39 -
40 Motor
41 Übersetzungsstufe
42 Zahnstangenprofil
43 Ritzelverzahnung

Claims

1. Fremdkraft-Lenkanlage für Kraftfahrzeuge, bei der die Lenkkraft ausschließlich von wenigstens einer Energiequelle, ausgenommen die menschliche Muskelkraft, aufgebracht wird,

- mit einer Betätigungseinrichtung (1), die an einer Lenkspindel (4) angeschlossen ist und
- mit einer durch die Betätigungseinrichtung (1) steuerbaren Stelleinrichtung (2) für die Verstellung der lenkbaren Fahrzeugräder (3), wobei die Betätigungseinrichtung (1) eine Rückstelleinrichtung (20) enthält, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Betätigungseinrichtung (1) wenigstens einen Lenkwinkelsensor (6, 12) enthält für die durch Redundanz sichergestellte Ermittlung des Sollwertes für die Steuerung der Stelleinrichtung (2),
- daß die Betätigungseinrichtung (1) einen Motor (21, 40) enthält für die Erzeugung eines auf die Lenkspindel (4) wirkenden Rückwirkmomentes und
- daß der Motor (21, 40) und damit das Rückwirkmoment in Abhängigkeit von wenigstens einem aus dem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ermittelten Parameter gesteuert wird.

2. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Betätigungseinrichtung (1) wenigstens zwei Lenkwinkelsensoren (6, 12) enthält,
- daß der eine Lenkwinkelsensor (6) zur direkten Messung des Verdrehwinkels der Lenkspindel (4) an der Lenkspindel (4) angeordnet ist und
- daß der andere Lenkwinkelsensor (12) durch eine Stirnradübersetzungsstufe (7, 8, 10; 23) mit der Lenkspindel (4) verbunden ist.

3. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der Lenkwinkelsensoren (6, 12) über eine zentrale Elektronikeinheit (28), die einen Verstärker enthält, der Stelleinrichtung (2) zugeführt werden.

4. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stelleinrichtung (2) wenigstens einen Stellmotor (32) enthält mit einer Übertragungseinrichtung für die Verstellung der zu lenkenden Fahrzeugräder (3) und
- daß die Stelleinrichtung (2) wenigstens einen Sensor (37) enthält für die Ermittlung wenigstens eines Parameters für die Stellung der Fahrzeugräder (3) und für dessen Weiterleitung an den Motor (21, 40) der Betätigungseinrichtung (1).

5. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (21) der Betätigungseinrichtung (1) ein Elektromotor (21) ist.

6. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (21) über eine mechanische Übersetzungsstufe, insbesondere eine Stirnradstufe (22, 23), mit der Lenkspindel (4) verbunden ist.

7. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (40) der Betätigungseinrichtung (1) ein hydraulischer oder pneumatischer Motor (40) ist.

8. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (40) über eine mechanische Übersetzungsstufe, insbesondere eine Zahnstangen- Ritzel-Stufe (41, 42, 43), mit der Lenkspindel (4) verbunden ist.

9. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betätigungseinrichtung (1) für beide Lenkrichtungen je ein Anschlag (15, 16) vorhanden ist.

10. Fremdkraft-Lenkanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (15, 16) als einstellbare mechanische Anschläge in einem Gehäuse (5) der Betätigungseinrichtung (1) angeordnet sind, die mit an einem Hohlrad (10) der Stirnrad-Übersetzungsstufe (7, 8, 10) angeordneten Stiften (13, 14) zusammenwirken.

11. Fremdkraft-Lenkanlage nach den Ansprüchen 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge in einem der Lenkwinkelsensoren (6, 12) derart ausgebildet sind, daß der maximale Verdrehwinkel der Lenkspindel (4) über den Lenkwinkelsensor (6, 12) von der zentralen Elektronikeinheit (28) erkannt wird und daß dem Elektromotor (21) bei Erreichen dieses Winkels ein Signal zur Erhöhung des Rückwirkmomentes zugeführt wird.