DE4422386C1 - Vorrichtung zur parameterabhängigen Steuerung einer Rückwirkungskraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur parameterabhän­ gigen Steuerung einer Rückwirkungskraft an einer Handhabe, z. B. Lenkhandrad, einer hydraulischen Servolenkung, mit einem mit der Handhabe antriebsmäßig koppelbaren, selbsthemmungs­ freien Elektromotor.

Aus der DE 39 08 218 A1 ist eine hydraulische Servolenkung mit derartigen Merkmalen bekannt, wobei ein mit dem Lenk­ handrad koppelbarer Elektromotor zur Erzeugung eines Rückholdrehmomentes dient.

Heutige Personenkraftwagen sind überwiegend mit hydrau­ lischen Servolenkungen ausgerüstet, um die vom Fahrer an dem als Handhabe angeordneten Lenkhandrad aufzubringenden Lenkkräfte hinreichend gering zu halten, insbesondere bei sehr langsamer Fahrt, etwa bei Rangiermanövern. Derartige Servolenkungen besitzen in der mechanischen Antriebsüber­ tragung zwischen Lenkhandrad und den Lenkrädern des Fahr­ zeuges zwei Übertragungselemente, die gegen Federkraft relativ zueinander begrenzt beweglich sind und dement­ sprechend in Abhängigkeit von den zwischen Lenkhandrad und Lenkrädern übertragenen Kräften mehr oder weniger große Relativbewegungen ausführen. Diese Relativbewegungen steuern ein Servoventil, welches zwischen einer hydrau­ lischen Druckquelle und einem relativ drucklosen Hydrau­ likreservoir angeordnet ist und im wesentlichen zwei parallele Drosselstrecken mit je einer Eingangsdrossel und einer Ausgangsdrossel aufweist. Eingangs- und Aus­ gangsdrossel jeder Drosselstrecke werden gegensinnig zueinander gesteuert, im übrigen werden auch die beiden Drosselstrecken entgegengesetzt zueinander gesteuert.

Darüber hinaus bewirken die hydraulischen Rückwirkungs­ organe eine gewisse zusätzliche Reibung, die zu Hysterese- Effekten und einer verschlechterten Rückstellung der Lenkung führen kann.

Alternativ zu hydraulischen Servolenkungen sind auch elektromechanische Servolenkungen bekannt, bei denen die Servostellkraft mittels eines Elektromotors erzeugt wird. Im Hinblick auf die erzeugbaren Servostellkräfte muß bei diesen Systemen jedoch das Elektronetz des Fahrzeuges mit erhöhter Leistungsfähigkeit ausgebildet sein. Darüber hinaus bereitet es steuerungstechnische Schwierigkeiten, die Servo­ stellkräfte auch bei sehr schnellen Lenkmanövern sauber zu steuern bzw. in der gewünschten Höhe zur Verfügung zu stellen. Dies beruht unter anderem darauf, daß im Hinblick auf kleine Abmessungen des elektrischen Servomotors in der Regel schnell laufende Elektromotoren mit vergleichsweise geringem Dreh­ moment eingesetzt werden, die mit der Lenkung über auf­ trennbare Antriebswege verbindbar sind. Damit besteht die Möglichkeit, den elektrischen Servomotor ständig mit höherer Drehzahl laufen zu lassen und bei Bedarf mit dem Lenkungssystem kraftschlüssig zu kuppeln.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein neues Konzept für die Rückwirkungssteuerung einer Servolenkung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der eingangs angegebenen Vorrichtung der Elektromotor parameterabhängig analog zu einer Größe, die sich analog zu der an der Handhabe aufzubringenden Betätigungskraft ändert, steuerbar ist.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer hydraulischen Servolenkung von einer hydraulischen Steuerung der Rückwirkungskräfte in Abhängigkeit von vorzugebenden Parametern abzusehen und statt dessen einen zusätzlichen, in Abhängigkeit von den Parametern steuerbaren Elektro­ motor vorzusehen.

Damit wird der Vorteil erreicht, daß übliche hydraulische Servolenkungen ohne parameterabhängige hydraulische Steuerung von Rückwirkungskräften einsetzbar sind. Derartige Servo­ systeme werden in sehr großen Serien und damit preisgünstig hergestellt. Insbesondere können in einer Großserienfertigung sowohl Standardfahrzeuge ohne parameterabhängige Steuerung der Rückwirkungskräfte der Lenkung als auch Fahrzeuge mit besonderer Ausstattung, insbesondere mit einer Servolenkung mit parameterabhängig gesteuerter Rückwirkungskraft, mit den gleichen hydraulischen Servosystemen ausgerüstet werden. Im Falle der Sonderausstattung braucht dann lediglich der Elektromotor mit seiner Steuerung zusätzlich vorgesehen zu werden. Insgesamt ergeben sich damit deutliche Kosten­ vorteile, weil sämtliche Fahrzeuge prinzipiell gleichartige Systeme aufweisen und im Falle von Sonderausstattungen lediglich Zusatzsysteme montiert werden müssen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be­ sitzt die Servolenkung ein grundsätzlich bekanntes, zwischen einer hydraulischen Druckquelle und einem relativ druck­ losen Hydraulikreservoir angeordnetes, einen hydraulischen Servomotor steuerndes Servoventil, welches durch Relativ­ bewegungen zwischen Teilen einer mechanischen Antriebsüber­ tragung steuerbar ist, die die Handhabe bzw. das Handlenk­ rad mit Steuerorganen, insbesondere den Fahrzeuglenkrädern, koppelt; hierbei ist der Elektromotor mit dem handhaben­ seitigen Teil der zueinander relativ beweglichen Teile antriebsgekoppelt.

Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die elektromotorisch erzeugten Kräfte keinerlei unmittelbare Auswirkung auf die vom hydraulischen Servomotor erzeugten Servostellkräfte haben können.

Im Falle der Servolenkung eines Kraftfahrzeuges ist es in der Regel bevorzugt, das hydraulische Servosystem so auszu­ legen, daß es lediglich die bei höheren Geschwindigkeiten erwünschten geringeren Servostellkräfte zu erzeugen vermag. Der Elektromotor wird dann zur Erzeugung einer zusätzlichen Unterstützungskraft bei langsameren Geschwindigkeiten oder besonderen Situationen herangezogen.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das hydraulische Servosystem mit einer solchen Leistungsfähigkeit auszubilden, daß es die höchsten, im Betrieb erwünschten Servokräfte zu erzeugen vermag, und daß der Elektromotor parameterabhängig einen an der Handhabe fühlbaren zusätzlichen Widerstand erzeugt.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer besonders bevorzugten Ausführungsform verwiesen, die anhand der Zeichnung beschrieben wird.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schaltplanartige Darstellung einer hydrau­ lischen Servolenkung mit erfindungsgemäßer Vor­ richtung zur parameterabhängigen Steuerung der am Lenkhandrad fühlbaren Rückwirkungskraft und

Fig. 2 ein Diagramm, welches die am hydraulischen Servo­ motor wirksame Druckdifferenz in Abhängigkeit von der am Lenkhandrad aufzubringenden Kraft bei ver­ schiedenen Fahrgeschwindigkeiten zeigt.

Gemäß Fig. 1 ist ein Lenkhandrad 1 eines Kraftfahrzeuges über eine Lenkwelle 2 und nicht dargestellte Getriebe­ elemente mit dem Lenkgestänge 3 der Fahrzeuglenkräder 4 mechanisch gekoppelt, derart, daß ein Lenkeinschlag der Lenkräder 4 zwangsläufig mit einer Drehung des Lenkhand­ rades 1 gekoppelt ist und umgekehrt.

In der mechanischen Antriebsverbindung zwischen Lenkhand­ rad 1 und Lenkrädern 4 sind zwei relativ zueinander gegen Federkraft begrenzt bewegliche Teile angeordnet; in der Darstellung der Fig. 1 handelt es sich dabei um die Lenkwellenteile 2′ und 2′′, die relativ zueinander be­ grenzt drehbar sind. Bei Betätigung des Lenkhandrades 1 werden diese Lenkwellenteile 2′ und 2′′ gegen die Kraft eines sie antriebsmäßig verbindenden Torsionsstabes (nicht dargestellt) relativ zueinander verdreht.

Diese Relativdrehung steuert ein Servoventil 5′ welches im Prinzip aus zwei zueinander parallelen Drosselstrecken mit den Eingangsdrosseln 6′ und 6′′ und den Ausgangs­ drosseln 7′ und 7′′ besteht. Diese Drosselstrecken sind zwischen der Druckseite einer Hydraulikpumpe 8 und einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir 9 angeordnet, welches seinerseits mit der Saugseite der Pumpe 8 verbunden ist.

Wenn die Lenkwellenteile 2′ und 2′′ eine Mittellage relativ zueinander einnehmen, sind die Drosseln 6′ bis 7′′ geöffnet, und zwar derart, daß die Eingangsdrosseln 6′ und 6′′ einer­ seits und die Ausgangsdrosseln 7′ und 7′′ andererseits jeweils gleiche Drosselwiderstände aufweisen und dement­ sprechend beide Drosselstrecken symmetrisch zueinander von Hydraulikmedium durchströmt werden. Wenn die Lenkwellen­ teile 2′ und 2′′ relativ zueinander verdreht werden, wird eine der Eingangsdrosseln, beispielsweise die Eingangs­ drossel 6′, relativ zur anderen Eingangsdrossel geschlossen, während die Ausgangsdrossel der anderen Drosselstrecke, im vorliegenden Beispiel die Ausgangsdrossel 7′′, relativ zur Ausgangsdrossel der einen Drosselstrecke zunehmend geschlossen wird.

Zwischen den Drosseln 6′ und 7′ bzw. 6′′ und 7′′ der beiden Drosselstrecken sind Anschlußleitungen 10 und 11 eines hydraulischen Servomotors 12 angeschlossen, welcher bei­ spielsweise als doppeltwirkendes hydraulisches Kolben- Zylinder-Organ ausgebildet sein kann. Wenn die beiden Drosselstrecken symmetrisch zueinander eingestellt sind, besteht zwischen den Anschlußleitungen 10 und 11 Druck­ gleichheit. Sobald die Drosselstrecken bei Relativdrehungen zwischen den Lenkwellenweilen 2′ und 2′′ unsymmetrisch zu­ einander verstellt werden, tritt an den Anschlußleitungen 10 und 11 eine mehr oder weniger große hydraulische Druck­ differenz auf, mit der Folge, daß der Servomotor 12 eine mehr oder weniger große Servostellkraft erzeugt und auf das Lenkgestänge 3 überträgt. Damit wird die am Lenkhand­ rad 1 aufzubringende Handkraft für das jeweilige Lenkmanöver vermindert.

Gemäß der Erfindung ist auf der Seite des Lenkhandrades 1 am Lenkwellenteil 2′ ein selbsthemmungsfreier Elektro­ motor 13 angeordnet, welcher vorzugsweise so ausgebildet ist, daß das Lenkwellenteil 2′ bzw. ein damit fest ver­ bundenes gleichachsiges Teil den Rotor des Elektromotors 13 bildet, dessen Stator dann stationär, etwa an der Fahrzeug­ karosserie, angeordnet ist.

Als Treiberschaltung des Elektromotors 13 ist ein elektri­ sches bzw. elektronisches Steuergerät 14 vorgesehen, dessen Ausgangsseite mit dem Elektromotor 13 verbunden ist. Die Eingangsseite des Steuergerätes 14 besitzt einen ersten Eingang, der mit einem zwischen Lenkhandrad 1 und Lenk­ wellenteil 2′ angeordneten Drehmomentsensor 15 verbunden sein kann. Ein weiterer Eingang 16 ist mit einem nicht dargestellten Signalgeber für einen vorzugebenden Para­ meter, beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit des Fahr­ zeuges, verbunden.

Damit kann der Elektromotor 13 zur Erzeugung einer zusätz­ lichen Lenkhilfskraft, die die vom Fahrer am Lenkhandrad 1 aufzubringenden Handkräfte vermindert, gesteuert werden, und zwar je nach Fahrgeschwindigkeit unterschiedlich. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, bei hoher Fahr­ geschwindigkeit den Elektromotor 13 unbetätigt zu lassen, so daß lediglich der hydraulische Servomotor 12 eine die am Lenkhandrad 1 aufzubringende Handkraft vermindernde Servostellkraft erzeugt. Je geringer die Fahrgeschwindig­ keit des Fahrzeuges wird, um so größer können die mittels des Elektromotors 13 erzeugten Hilfskräfte werden. Dadurch werden insbesondere Rangiermanöver wesentlich erleichtert, bei denen die Lenkräder 4 des Fahrzeuges gegen einen vergleichsweise hohen Widerstand verstellt werden müssen.

Alternativ oder zusätzlich zu dem Drehmomentsensor 15 kann am Lenkgestänge 3, im dargestellten Beispiel an einer Spurstange, ein mit einem Eingang des Steuerge­ rätes 14 verbundenes Kraftmeßglied 17 angeordnet sein. Statt dessen oder zusätzlich kann auch mittels Druck­ geber 18, die an den Anschlußleitungen 10 und 11 des hydraulischen Servomotors 12 angeordnet sind, oder mittels eines zwischen diesen Leitungen 10 und 11 ange­ ordneten Differenzdruckmessers 19 ein die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 10 und 11 wiedergebendes Signal erzeugt und an einen Eingang des Steuergerätes 14 weiter­ geleitet werden. Auf diese Weise kann das Steuergerät 14 den Elektromotor 13 derart steuern, daß in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit (oder einem sonstigen vorzu­ gebenden Parameter) eine mehr oder weniger große Hilfs­ kraft erzeugt wird, die sich analog zu den im Lenkge­ stänge 3 wirksamen Kräften und/oder analog zur Druck­ differenz, welche am hydraulischen Servomotor 12 wirksam ist, verändert.

Im Ergebnis ergeben sich dann Verhältnisse, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Dort ist der jeweils am hydrau­ lischen Servomotor 12 vorliegende Differenzdruck P in Abhängigkeit von der am Lenkrad aufzubringenden Hand­ kraft M dargestellt, und zwar für verschiedene Fahrge­ schwindigkeiten v, die beispielsweise zwischen 0 km/h und 100 km/h liegen mögen. Man erkennt, daß die Lenkung bei geringer Geschwindigkeit bzw. im Stand des Fahrzeuges leichtgängiger arbeitet als bei höherer Geschwindigkeit.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wurde davon aus­ gegangen, daß sowohl der hydraulische Servomotor 12 als auch der Elektromotor 13 jeweils Kräfte erzeugen, die die am Lenkhandrad 1 aufzubringenden Handkräfte vermindern. Dies ist gleichbedeutend damit, daß im relativ schwergängigen Zustand der Lenkung, d. h. bei hoher Fahrgeschwindigkeit, der Elektromotor 13 unwirksam bleibt; der Elektromotor 13 wird dann nur bei geringen Fahrgeschwindigkeiten bzw. im Stand zusätzlich wirksam.

Statt dessen ist es jedoch auch möglich, den hydrau­ lischen Servomotor 12 so auszulegen, daß allein mittels dieses Motors 12 bereits bei niedriger Geschwindigkeit bzw. im Stand eine leichtgängige Lenkung erreicht wird. Die erwünschte Schwergängigkeit der Lenkung bei höherer Fahrgeschwindigkeit kann dann dadurch erreicht werden, daß mit dem Elektromotor 13 eine die am Lenkhandrad 1 aufzubringende Handkraft erhöhende Hilfskraft erzeugt wird.

Aus Sicherheitsgründen ist bei Kraftfahrzeugen in der Regel die erstere Ausführungsform bevorzugt. Falls nämlich der Elektromotor 13 bzw. das zugehörige Steuer­ gerät 14 ausfallen sollten, bleibt die Lenkung bei höherer Fahrgeschwindigkeit schwergängig. Bei geringer Fahrge­ schwindigkeit sowie im Stand muß dann lediglich eine Komforteinbuße hingenommen werden, weil die Lenkung nun auch in diesem Betriebszustand schwergängig bleibt.

Dagegen kann nicht der Fall auftreten, daß die Lenkung unerwartet aus einem relativ schwergängigen Zustand in einen leichtgängigen Zustand wechselt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur parameterabhängigen Steuerung einer Rückwirkungskraft an einer Handhabe (Lenkhandrad) einer hydraulischen Servolenkung, mit einem mit der Handhabe antriebsmäßig koppelbaren selbsthemmungsfreien Elektro- Motor, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (13) parameterabhängig analog zu einer Größe, die sich analog zu der an der Handhabe aufzubringenden Betätigungskraft ändert, steuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servolenkung ein zwischen einer hydraulischen Druckquelle (Pumpe 8) und einem relativ drucklosen Hydraulikreservoir (9) angeordnetes, einen hydrau­ lischen Servomotor (12) steuerndes Servoventil (5) aufweist, welches durch Relativbewegung zwischen Teilen (2′, 2′′) einer mechanischen Antriebsübertragung steuerbar ist, die die Handhabe (1) mit Steuerorganen (lenkbare Räder 4) koppelt, und daß der Elektromotor (13) mit dem handhabenseitigen Teil (2′) der zueinander relativ beweglichen Teile (2′′) der zueinander relativ beweglichen Teile (2′, 2′′) antriebsgekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des Elektromotors (13) durch ein lenkhandradseitiges Wellenteil (2′) der Lenkwelle (2) eines Kraftfahrzeuges gebildet wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (13) eine Hilfskraft erzeugt, die in gleicher Richtung wie die Servostellkraft des hydraulischen Servomotors (12) wirksam ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Elektromotors (13) eine Zusatzkraft erzeugbar ist, die der Servostellkraft des hydrau­ lischen Servomotors (12) entgegenwirkt.