DE4418118C1 - Servosteuerung bzw. -lenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Servosteuerung, insbesondere eine Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit elektromechanischer bzw. elektrohydraulischer Unterstützung von Stellhüben einer Handhabe, wobei ein ständig laufender Elektromotor mit durch die Handhabe steuerbarem Kraftfluß an ein Steuerorgan der Servosteuerung bzw. -lenkung koppelbar ist.

In Kraftfahrzeugen werden derzeit typischerweise hydrau­ lische Servolenkungen angeordnet, welche eine vom Fahrzeug­ motor mit je nach Betriebszustand unterschiedlichen Dreh­ zahlen angetriebene Hydraulikpumpe besitzen. Druckseitig der Pumpe ist ein in Mittelstellung offenes Servoventil an­ geordnet, welches im Prinzip zwei parallele, zu einem Hydraulikreservoir führende Drosselstrecken mit je zwei in Reihe hintereinander angeordneten steuerbaren Drosseln aufweist. Diese Drosseln werden in Abhängigkeit von der am Lenkhandrad aufzubringenden Betätigungskraft gesteuert, derart, daß der Drosselwiderstand der Eingangsdrossel einer Drosselstrecke erhöht und der Drosselwiderstand der Ausgangs­ drossel dieser Drosselstrecke vermindert wird, während die Drosseln der anderen Drosselstrecke in jeweils umgekehrter Richtung gesteuert werden. Auf diese Weise kann ein hydrau­ lischer Servomotor, in der Regel ein doppeltwirkendes Kolben-Zylinder-Aggregat, dessen einer Motoranschluß zwischen den Drosseln der einen Drosselstrecke und dessen anderer Motoranschluß zwischen den Drosseln und der anderen Drosselstrecke angeordnet ist, mit einer steuerbaren Druck­ differenz beaufschlagt werden, so daß der Servomotor eine steuerbare Hilfs- bzw. Servokraft erzeugt. Solange die an der Handhabe aufzubringenden Betätigungskräfte verschwin­ dend gering sind, nimmt das Servoventil seine Mittellage ein, in der beide Motoranschlüsse den gleichen (relativ geringen) Druck haben, so daß keine Hilfs- bzw. Servokraft erzeugt werden kann.

Aus der DE 36 22 217 A1 ist es bekannt, die Pumpe einer derartigen Servosteuerung mittels eines vom Fahrzeugmotor unabhängigen Elektromotors anzutreiben, dessen Leistung mittels eines Drucksensors gesteuert wird, der den Hydrau­ likdruck auf der Druckseite der Servopumpe erfaßt. Damit kann die Pumpleistung sowie die Leistung des die Pumpe antreibenden Elektromotors dem jeweiligen Bedarf angepaßt werden.

Die DE 42 08 004 A1 betrifft ebenfalls eine elektrohydraulische Servolenkung. Hier ist vorgesehen, die vom Elektromotor ange­ triebene Pumpe mit einer rein mechanischen Ventileinrichtung zu versehen, welche in die Pumpe integriert ist und auch bei stillstehender Pumpe und damit auch bei stillstehendem Elektromotor noch ein hinreichend leichtgängiges manuelles Lenken des Fahrzeuges ermöglichen soll.

Darüber hinaus wurde bereits vorgesehen, bei einer hydrau­ lischen Servolenkung mittels einer elektromotorisch ange­ triebenen Pumpe einen hydraulischen Druckspeicher zu laden, dem ein in Mittellage geschlossenes Servoventil nachge­ schaltet ist, welches in Abhängigkeit von der an der Hand­ habe aufzubringenden Betätigungskraft einen in Mittellage des Servoventiles über seine beiden Anschlüsse mit einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir verbundenen Servo­ motor betätigt, indem′ ein Motoranschluß unter Abkopplung vom Hydraulikreservoir mit dem Druckspeicher verbunden wird.

Dieses Konzept bietet den Vorteil, daß die Pumpe und damit auch der die Pumpe treibende Elektromotor nur zeitweilig arbeiten müssen, um den hydraulischen Druckspeicher nach­ zuladen.

Auch dieses Konzept ist vergleichsweise aufwendig, da der Druck im Druckspeicher ständig überwacht werden muß. Im übrigen kann das Steuerverhalten des Servoventiles Probleme aufwerfen.

Aus der DE 36 19 703 C2 ist es bekannt, einen Elektromotor direkt zur Erzeugung einer Hilfs- bzw. Servokraft heranzu­ ziehen. Für den Fall, daß die Fahrzeugbatterie relativ stark entladen und nur noch eine geringe Restkapazität haben sollte, ist vorgesehen, die elektrische Leistungsaufnahme des Elektro­ motors in Abhängigkeit von der (restlichen) Batteriespannung zu begrenzen. Damit wird zwar die mögliche erzeugbare Servo­ kraft entsprechend begrenzt. Jedoch kann auf diese Weise weitestgehend sichergestellt werden, daß die Scheinwerfer eines Fahrzeuges trotz teilentladener Batterie noch mit hinreichender Helligkeit leuchten.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das normale Betriebsverhalten einer Servosteuerung bzw. -lenkung der eingangs angegebenen Art bei geringem Aufwand wesentlich zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem elektrischen Stromkreis des Elektromotors eine Motor­ steuerung mit elektronischer Lasterkennung zugeordnet ist und den Elektromotor

• - auf sehr geringer Leistung hält bzw. auf sehr geringe Leistung bringt, wenn der Elektromotor gegen geringe Last arbeitet, bzw.
• - auf hohe Leistung bringt bzw. auf hoher Leistung hält, wenn der Elektromotor gegen erhöhte Last arbeitet.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Steuerung des Elektromotors die Tatsache auszunutzen, daß dieser bei Veränderung des Kraftflusses zwischen Motor und Steuerorgan zwangsläufig gegen unterschiedliche Lasten arbeiten muß. Bei einem ständig laufenden Elektromotor kann der Lastzustand mittels einer rein elektrisch arbeitenden Motorsteuerung ständig überwacht werden, um den Motor optimal zu steuern. Solange keine Hilfs- bzw. Servokraft benötigt wird, kann dann der Motor mit äußerst geringer Leistung und entsprechend geringem Stromverbrauch arbeiten. Erst dann, wenn eine Hilfs- bzw. Servokraft benötigt wird, tritt ein nennenswerter Energieverbrauch des Motors auf.

Der besondere Vorzug der Erfindung liegt darin, daß der Last­ zustand eines Elektromotors leicht ermittelbar ist, beispiels­ weise durch Überwachung des - lastabhängigen - inneren elek­ trischen Widerstandes des Motors oder des - ebenfalls last­ abhängigen - elektrischen Spannungsabfalles am Motor. Der Lastzustand eines Elektromotors stellt also einen rein elektrischen Parameter dar, dessen Überwachung mit geringem Aufwand in eine regelmäßig ohnehin vorhandene elektrische Motorsteuerung integriert werden kann.

Durch die Erfindung wird also bei geringstem Aufwand eine bedarfsgerechte Leistungssteuerung einer Servolenkung bzw. -steuerung ermöglicht.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schaltplanartige Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Servolenkung mit elektrohydraulischer Unterstützung,

Fig. 2 ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Servolenkung mit elektromechanischer Unterstützung und

Fig. 3 ein Diagramm zur Leistungssteuerung des Elektromotors.

Gemäß Fig. 1 ist eine saugseitig mit einem Hydraulikreser­ voir 1 verbundene Pumpe 2, die durch einen Elektromotor 3 angetrieben wird, druckseitig an ein in seiner Mittel­ stellung offenes Servoventil 4 angeschlossen, welches über zwei Motoranschlüsse mit einem als doppeltwirkendes Kolben- Zylinder-Aggregat ausgebildeten Servomotor 5 sowie über einen weiteren Anschluß mit dem Hydraulikreservoir 1 ver­ bunden ist. Das schematisch nach Art eines Schieberventiles dargestellte Servoventil 4 läßt sich aus der dargestellten Mittellage, in der alle Anschlüsse direkt oder indirekt mit dem Reservoir 1 verbunden sind, stufenlos in Richtung zweier Endlagen verstellen, in denen jeweils eine Kammer des Servomotors 5 mit der Druckseite der Pumpe 2 und die jeweils andere Seite des Servomotors 5 mit dem Hydraulik­ reservoir 1 verbunden ist.

Aus Sicherheitsgründen ist druckseitig der Pumpe 2 noch ein Überdruckventil 6 angeordnet, um den Maximaldruck zu begrenzen.

In der Stromversorgung des Elektromotors 3 ist eine auto­ matische Steuereinheit 7 vorgesehen, die auf den Lastzu­ stand des Elektromotors 3 reagiert. Von dieser Steuerein­ heit 7 wird der Elektromotor 3 auf sehr geringer Leistung gehalten, solange er gegen einen geringen Widerstand, d. h. gegen geringe Last, arbeitet. Sobald sich die Belastung des Elektromotors 3 erhöht, wird die Leistung des Elektro­ motors 3 unter deutlicher Erhöhung seiner Drehzahl stark angehoben.

Sobald dann der Elektromotor 3 wieder gegen geringe Last arbeitet, wird seine Leistung stark vermindert.

Bei dieser Steuerung wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Drosselwiderstand, gegen den die Pumpe 2 arbeitet, in der dargestellten Mittelstellung des Servoventiles 4 minimal ist und deutlich ansteigt, sobald das Servoventil 4 aus der Mittellage verstellt wird. Dementsprechend muß der Servomotor 5 gegen einen durch die Stellung des Servoven­ tiles 4 vorgegebenen Widerstand bzw. eine durch die Stellung des Servoventiles 4 bestimmte Last arbeiten.

Im Beispiel einer Servolenkung eines Kraftfahrzeuges wird nun das Servoventil 4 in grundsätzlich bekannter Weise in Abhängigkeit von der am Lenkhandrad aufzubringenden Betäti­ gungskraft gesteuert, wobei die dargestellte Mittellage des Servoventiles 4 bei verschwindenden bzw. sehr geringen Betätigungskräften eingenommen wird. In dieser Mittelstellung des Servoventiles 4 kann der Servomotor 5 keine nutzbare Kraft erzeugen, und zwar unabhängig davon, ob die Pumpe 2 bzw. der Elektromotor 3 mit großer Leistung arbeiten. Andererseits wird bei sehr geringen bzw. verschwindenden Betätigungskräften am Lenkhandrad auch keine Hilfskraft des Servomotors 5 benötigt.

Insgesamt besteht also bei diesem Betriebszustand keinerlei Bedarf für höhere Leistungen von Pumpe 2 oder Elektromotor 3. Erfindungsgemäß arbeitet der Elektromotor 3 - und infolge­ dessen auch die Pumpe 2 - mit äußerst geringer Leistung.

Wenn nun die am Lenkhandrad aufzubringenden Betätigungskräfte größer werden, wird das Servoventil 4 aus der dargestellten Mittellage verschoben, mit der Folge, daß die Pumpe 2 gegen einen deutlich größeren Drosselwiderstand arbeitet und dem­ entsprechend auch der Elektromotor 3 gegen vergrößerte Last arbeiten muß. Dies "merkt" die Steuereinheit 7, mit der Folge, daß der Elektromotor 3 auf hohe Leistung umgesteuert wird und dementsprechend auch die Pumpe 2 mit deutlich erhöhter Leistung arbeitet.

Damit können zwischen den Motoranschlüssen des Servoventiles 4 - bei entsprechend weiter Verstellung desselben - sehr große Druckdifferenzen auftreten, so daß der Servomotor 5 eine entsprechend große Hilfskraft erzeugt.

Geht das Servoventil 4 wieder in seine Mittellage zurück, fallen der Drosselwiderstand, gegen den die Pumpe 2 arbeitet, und dementsprechend auch die Last, gegen die der Elektro­ motor 3 zu arbeiten hat, wiederum stark ab, mit der Folge, daß die Steuereinheit 7 den Elektromotor 3 wieder auf sehr geringe Leistung umsteuert.

Erfindungsgemäß werden also die Pumpe 2 sowie der dieselbe antreibende Elektromotor 3 je nach Bedarf mit unterschied­ licher Leistung betrieben.

Dabei liegt ein besonderer Vorzug der Erfindung darin, daß diese Steuerung zwangsläufig allein durch Überwachung elektrischer Parameter erfolgt, die sich analog zur Belastung des Elektromotors 3 ändern. Hierbei kann es sich beispielsweise um den inneren elektrischen Widerstand des Motors 3 oder den am Motor auftretenden Abfall der elektri­ schen Spannung handeln. Entsprechende Parameter können von einer regelmäßig ohnehin vorzusehenden elektrischen Motor­ steuerung bzw. -regelung ohne größeren konstruktiven Auf­ wand berücksichtigt werden.

Ein Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform liegt auch darin, daß das Hydraulikmedium ständig umläuft, und zwar auch - wenn auch mit sehr geringer Strömung - in Mittellage des Servoventiles 4. Sollte das Hydraulik­ medium bei großer Kälte schwerflüssig geworden sein, so wird dies zu einer entsprechend erhöhten Last am Elektro­ motor 3 führen. Gegebenenfalls wird dann der Elektromotor 3 bei hinreichend großer Last von der Steuereinheit 7 auf erhöhte Leistung umgeschaltet, mit der Folge, daß das Hydraulikmedium auch in Mittellage des Servoventiles 4 unter Erwärmung sehr schnell umgepumpt wird, bis eine hinreichende Dünnflüssigkeit erreicht ist und die Last des Elektromotors 3 in Mittellage des Servoventiles 4 wieder sehr geringe Werte annimmt, bei denen der Elektro­ motor 3 von der Steuereinheit 7 auf sehr geringe Leistung umgesteuert wird.

Die Erfindung ist nicht auf eine elektrohydraulische Servolenkung bzw. -steuerung beschränkt.

Wie anhand der Fig. 2 gezeigt wird, läßt sich die Erfindung auch in elektromechanischen Systemen verwirklichen.

Nach Fig. 2 treibt der Elektromotor 3 in grundsätzlich bekannter Weise zwei sich gegenläufig drehende Abtriebs­ räder 8 und 9, die über Reibkupplungen 10 und 11 mit einer Hülse 12 kuppelbar sind, die ihrerseits über um­ laufende Kugeln mit einer Spindel 13 zu deren Verschiebung antriebsgekoppelt ist. Dabei werden die Reibkupplungen 10 und 11 durch axiale Relativbewegungen zwischen den den Abtriebsrädern 8 und 9 zugeordneten Teilen der Reibkupplungen 10 und 11 einerseits und den der Hülse 12 zugeordneten Kupplungsteilen andererseits gesteuert, mit der Folge, daß die eine Kupplung 10 bzw. 11 geschlossen wird, wenn sich die Hülse 12 in Fig. 2 nach rechts zu verlagern sucht, während bei umgekehrter Verschiebung die andere Kupplung geschlossen wird. In einer Mittellage sind beide Kupplungen 10 und 11 offen.

Im Falle einer Kraftfahrzeuglenkung ist der Betriebszustand der Kupplungen 10 und 11 von den am Lenkhandrad aufzubrin­ genden Betätigungskräften abhängig, mit der Folge, daß bei größeren Betätigungskräften der Elektromotor 3 die Hülse 12 über eines der Abtriebsräder 8 und 9 und eine der Kupplungen 10 und 11 in der einen oder anderen Richtung anzutreiben sucht und die Spindel 13 mit einer Hilfskraft in der einen oder anderen Richtung beaufschlagt.

Da beim Schließen einer der Kupplungen 10 und 11 die Last am Elektromotor 3 zwangsläufig ansteigen muß, vermag die dem Elektromotor 3 zugeordnete Steuereinheit 7 auf die Laständerung zu reagieren. Damit kann die Leistung des Elektromotors 3 wiederum bedarfsgerecht gesteuert werden, d. h. bei geöffneten Kupplungen 10 und 11 läuft der Elektro­ motor 3 mit ganz geringer Leistung. Beim Schließen einer der Kupplungen 10 und 11 und dem damit verbundenen Anstieg der Last des Elektromotors 3 wird dieser auf hohe Leistung umgesteuert.

Die Fig. 3 verdeutlicht das Betriebsverhalten bei der Erfindung. Dabei sind sowohl die Last L als auch die Drehzahl n des Motors in Abhängigkeit von der Zeit t dar­ gestellt. Wenn davon ausgegangen wird, daß sich die Last L in der dargestellten Form ähnlich einer Rechteckkurve ändert, so kann sich auch die Drehzahl n in ganz analoger Weise verändern, d. h. dieselbe Kurve K zeigt qualitativ die Veränderungen von Last L und Drehzahlen n.

Claims (5)

1. Servosteuerung, insbesondere Servolenkung für Kraftfahrzeuge, mit elektromechanischer bzw. elektro­ hydraulischer Unterstützung von Stellhüben einer Handhabe, wobei ein ständig laufender Elektromotor mit durch die Handhabe steuerbarem Kraftfluß an ein Steuerorgan der Servosteuerung bzw. -lenkung koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Stromkreis des Elektromotors (3) eine Motorsteuerung (7) mit elektronischer Lasterkennung zugeordnet ist und den Elektromotor (3)

• - auf sehr geringer Leistung hält bzw. auf sehr geringe Leistung bringt, wenn der Elektromotor (3) gegen geringe Last arbeitet, bzw.
• - auf hohe Leistung bringt bzw. auf hoher Leistung hält, wenn der Elektromotor (3) gegen erhöhte Last arbeitet.

2. Servosteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Lasterkennung den inneren elek­ trischen Widerstand des Elektromotors (3) auswertet.

3. Servosteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Lasterkennung den elektrischen Spannungsabfall am Elektromotor (3) auswertet.

4. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (3) eine hydraulische Pumpe (2) mit druckseitig nachgeschaltetem, in Mittellage offenem Servoventil (4) antreibt, dessen Drossel­ widerstand in Mittellage minimal ist und bei Verstellung aus der Mittellage ansteigt.

5. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (3) direkt über Kupplungen (10, 11) mit steuerbarem Kraftfluß an ein Steuerorgan (13) der Servosteuerung bzw. -lenkung gekoppelt ist und der genannte Kraftfluß von der Betätigungskraft der Handhabe abhängt.