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Servolenkung für Fahrzeuge
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Die Erfindung betrifft eine Servolenkung für Fahrzeuge mit einem Lenkhandrad,
einem Lenkgetriebe und einem die Lenkbewegung unterstützenden Servozylinder, wobei
die Druckräume des Servozylinders von einer Druckmittelquelle aus entsprechend der
Drehrichtung des Lenkhandrades über eine Regeleinrichtung mit Druckmittel beaufschlagbar
sind.
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Bekannt sind zur Verstärkung der vom Fahrer ausgeführten Lenkbewegung
hydraulische Servolenkungen mit mechanisch angesteuertem Lenkventil mit einer Lenkmechanik
und einem die Lenkkraft verstärkenden Servozylinder. Als Energiequelle dient dabei
eine Hydraulikpumpe, welche vom Fahrzeugmotor aus angetrieben wird. In dem Lenkventil
erfolgt dabei über Steuerkanten und Steuernuten die Verteilung des Druckmittels
in Abhängigkeit von der Drehrichtung und der Lenkkraft in die Druckräume des Servozylinders.
Der Kolben des Servozylinders ist dabei über ein Lenkgestänge mit den Einrichtungen
zur Räderverstellung verbunden.
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Nachteilig bei den bekannten Servolenkungen ist jedoch, daß hierfür
ein relativ großer Aufwand erforderlich ist. So ist z.B. ein kompliziertes Lenkventil,
in dem die Verteilung des Druckmittels vorgenommen wird, erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Servolenkung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einfacher im Aufbau ist,
insbesondere bei der komplizierte und damit auch störanfällige Teile weitgehend
vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil
der von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr statt einem aufwendigen Lenkventil eine
elektromechanische Pumpe verwendet, die sowohl als Druckmittelquelle als auch zur
direkten Verteilung des Druckmittels, im allgemeinen Öl, entsprechend der Lenkkraft
in die Druckräume des Servozylinders dient. Es ist lediglich eine Regeleinrichtung
zur Messung der Lenkkraft erforderlich. Derartige Regeleinrichtungen, die im allgemeinen
elektronischer Art sind, sind jedoch relativ einfach und billig aufgebaut.
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Durch die erfindungsgemäße elektrohydraulische Pumpe wird die Servolenkung
einfacher im Aufbau und weist wenig störanfällige Teile auf. Dadurch ist sie auch
relativ billig und damit für eine Serienfertigung gut geeignet.
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Die elektrohydraulische Pumpe kann von beliebiger Bauart sein. In
sehr vorteilhafter Weise wird man hierzu eine Pumpe mit einem doppelt wirkenden
Kolben mit zwei sich gegenüberliegenden Kolbenräumen verwenden.
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Eine derartige Pumpe ist einfach im Aufbau und mit einem einzigen
Kolben können beide Druckräume des Servozylinders entsprechend der Drehrichtung
mit Druckmittel versorgt werden.
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Die Verstellung des Kolbens kann auf elektromagnetische Weise erfolgen.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch noch andere Möglichkeiten zur
Verschiebung des Kolbens denkbar.
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Bei einer elektromagnetischen Verstellung kann in einer vorteilhaften
Ausgestaltung vorgesehen sein, daß die Pumpe auf gegenüberliegenden Seiten mit Elektromagneten
und Spulen versehen ist und daß der oder die dazwischenliegenden Kolben wenigstens
teilweise aus magnetischem oder magnetisierbarem Material bestehen.
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Durch diese Ausgestaltung wird auf einfache Weise die erforderliche
Verschiebung des Kolbens und damit die Druckerzeugung für die Druckräume des Servozyiinders
-erreicht. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß die von der Pumpe erzeugte hydraulische
Kraft zur Verstellung des Druckkolbens des Servozylinders und damit zur Verstärkung
der Lenkkraft ausreichend ist. Weiterhin muß selbstverständlich das Pumpengehäuse
wenigstens in dem Wirkungsbereich des Elektromagneten aus nichtmagnetischem bzw.
nichtmagnetisierbarem Material bestehen.
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Um eine optimale Wirkung erreichen zu können, ist es von Vorteil,
wenn die Elektromagnete mit ihren Spulen so geschaltet sind, daß je nach Drehrichtung
der oder die Elektromagnete auf einer Seite des Kolbens eine anziehende Kraft auf
den Kolben erzeugen während gleichzeitig der oder die Elektromagnete auf der anderen
Seite des Kolbens eine abstoßende Kraft auf den Kolben erzeugen.
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Eine derartige Schaltung läßt sich problenilos durchführen.
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Im allgemeinen wird man die Pumpe wenigstens annähernd in Zylinderform
ausbilden, wobei der Durchmesser des Zylinders größer ist als der Verschiebeweg
des Kolbens.
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Da die Wirkungsbereiche von Elektromagneten, d.h. deren Magnetkräfte,
mit zunehmender Entfernung rasch abnehmen, ist dafür
zu sorgen,
daß der Kolben in der Pumpe nur relativ kurze Wege zurücklegen muß. Aus diesem Grunde
wird man in vorteilhafter Weise dafür sorgen, daß man zur Erzeugung der notwendigen
Druckkraft eine entsprechend große Kolbenfläche zur Verfügung hat. In diesem Falle
kann der von dem Kolben zurückzulegende Weg relativ klein gehalten werden. In dem
Servozylinder mit seinem Druckkolben sind die Verhältnisse umgekehrt. Dies bedeutet,
daß die auf kurzem Wege erzeugte Druckkraft in der Pumpe dort in vergleichsweise
lange Wege umgewandelt wird.
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Im allgemeinen wird dabei der Durchmesser des Zylinders um ein mehrfaches
größer sein als der Verschiebeweg des Kolbens.
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Da man den Kolben der Pumpe auch aus Gewichtsgründen relativ schmal
halten wird und aufgrund seines groBen Durchmessers, wird es im allgemeinen erforderlich
sein, daß man zusätzlich zu der Führung am Umfang noch weitere Führungsteile für
ihn vorsieht, insbesondere um Kippbewegungen zu vermeiden. In einer Ausgestaltung
hierzu kann vorgesehen sein, daß diese Führungen im Bereich der Zylinderlängsachse
liegen. Die Ausgestaltung dieser Führungen kann beliebig sein.
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Eine vorteilhafte und einfache Lösung besteht darin, daß die Führungen
jeweils ein auf jeder Kolbenseite angeordnetes Führungsauge aufweisen, daß in einer
Ausparung im Pumpengehäuse geführt ist. Im allgemeinen wird man dabei die Führungsaugen
und damit auch die Aussparungen - im Querschnitt gesehen -kreisförmig ausführen.
Wenn man vermeiden möchte, daß sich der Kolben in Umfangsrichtung verdreht, kann
zusätzlich eine entsprechende Drehsicherung, z.B. in Form eines Führungszapfens
vorgesehen werden.
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Zur Zentrierung des Kolbens in Mittenstellung kann auf jeder Seite
eine Zentrierungsfeder vorgesehen sein.
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In vorteilhafter Weise kann man hierzu die beiden Führungsaugen verwenden,
welche in diesem Falle wenigstens teilweise einen freien Innenraum aufweisen können,
in dem ein Ende der Feder gelagert ist, während sich das andere Ende in der Aussparung
abstützt. Auf diese Weise sind die beiden Federn auf einfache Weise sicher geführt.
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Damit die Hohlräume in den Aussparungen, deren Größe sich ja mit der
Verschiebung des Kolbens laufend ändert, hydraulisch neutral sind, kann vorgesehen
sein, daß die Aussparungen über Druckausgleichsbohrungen mit dem dazugehörigen Kolbenraum
verbunden sind.
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Zur Deckung von Leckverlusten und zum Ausgleich bei Temperaturschwankungen
kann vorgesehen sein, daß der Kolben an seinem Umfang mit einem Ausgleichsraum versehen
ist, der über wenigstens eine Zulaufbohrung mit einem Druckmitteltank und über Ausgleichsbohrungen
jeweils mit den beiden Kolbenräumen verbunden ist, wobei in den Ausgleichsbohrungen
in Richtung auf die Kolbenräume hin sich öffnende Rückschlagventile angeordnet sind.
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Auf diese Weise kann Druckmittel je nach Bedarf von dem Druckmitteltank
in einen oder auch in beide Kolbenräume nachgesaugt werden. Die beiden Rückschlagventile
dienen dabei dazu, daß keine Rückströmung auftritt.
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Als Lenkkraftmeßeinrichtung zur Bestimmung der Drehrichtung und Kraft
des Lenkhandrades oder einem damit verbundenen Teil können verschiedene Einrichtungen
im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Im allgemeinen wird man hierzu Sensoren
verwenden,
die die durch die Verdrehung des Lenkhandrades ausgeübte Torsion auf eines der damit
verbundenen Teile, z.B. der Lenkspindel, messen, und dann in elektrische oder elektronische
Signale umwandeln, welche dann der Regeleinrichtung zuyeführt werden.
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Eine Möglichkeit hierfür kann darin bestehen, daß die Lenkkraftmeßeinrichtung
Dehnungsmeßstreifen aufweist, die in einer Widerstandsbrückenschaltung das von dem
Lenkhandrad erzeugte Torsionsmoment messen und als Signal bezüglich Drehrichtung
und Größe der Regeleinrichtung mitteilen.
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Mit der erfindungsgemäBen Servolenkung läßt sich auf einfache Weise
ein zusätzlicher Vorteil erreichen. Bekanntlich soll die hydraulische Verstärkung
insbesonders im Parkierbereich und bei geringen Geschwindigkeiten wirken. Bei hohen
Geschwindigkeiten, insbesondere bei Fahrten auf der Autobahn, ist es hingegen besser,
wenn die Lenkung direkter wirkt, d.h. die hydraulische Verstärkung nicht so wirksam
ist. Hierzu sind beim Stand der Technik verschiedene Vorschläge gemacht worden,
die relativ aufwendig oder umständlich sind.
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Erfindungsgemäß kann nunmehr vorgesehen sein, daß die Regeleinrichtung
mit einer Fahrtgeschwindigkeitsmeßeinrichtung verbunden ist, und daß die hydraulische
Verstärkung in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitsmeßwerten erfolgt.
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Ohne großen Aufwand läßt sich nun mit.einfachen Mitteln in der Regeleinrichtung
eine Steuerung vorsehen, durch die bei hohen Geschwindigkeiten die hydraulische
Lenkkraftverstärkung entsprechend reduziert wird, d.h. daß entsprechende Steuersignale
an die Pumpe abgegeben werden.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig
anhand der Zeichnung beschrieben.
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Da sich die erfindungsgemäße Servolenkung praktisch für alle Arten
an bekannten Lenkeinrichtungen mit ihren mechanischen Teilen verwenden läßt, wird
auf deren Ausgestaltung in der Zeichnung nicht näher eingegangen. Dargestellt ist
lediglich im Prinzip ein Lenkhandrad 1 mit einer Lenkspindel 2, die am unteren Ende
mit einem Ritzel 3 versehen ist. Das Ritzel 3 kämmt mit einer Zahnstange 4, welche
über eine Schubstange 5 mit einem Druckkolben 6 eines Servozylinders 7 verbunden
ist. Der Servozylinder 7 weist zwei Druckräume 8 und 9 auf.
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Eine elektrohydraulische Pumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 11 besitzt
in ihrem Inneren einen doppeltwirkenden Kolben 12.
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Die Pumpe 10 besitzt im wesentlichen eine kurze Zyllnderform, wodurch
der Kolben 12 eine Scheibenform aufweist. Der Kolben 12 trennt zwei sich gegenüberliegende
Kolbenräume 13 und 14. Zur Führung des Kolbens 12 sind im Bereich der Längsachse
der Pumpe auf jeder Seite jeweils ein Lagerauge 15 mit einem freien Innenraum 16
angeordnet. Die beiden Führungsaugen 15 ragen jeweils in Aussparungen 17 in dem
Pumpengehäuse 11, deren Form und Größe an dem Außendurchmesser der Augen angepaßt
ist. Auf jeder Seite ist eine Zentrierungsfeder 18 angeordnet, dessen eines Ende
sich am Boden der Aussparung 17 bzw. an dem Pumpengehäuse 11 abstützt, während sich
dessen anderes Ende in dem freien Innenraum 16 des Lagerauges 15 abstützt.
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Selbstverständlich können die Federn jedoch auch an einer anderen
Stelle angeordnet sein. Wesentlich ist lediglich, daß sie den Kolben 12 in der Mittenstellung
zentrieren.
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Auf der Außenseite des aus nichtmagnetisierbaren materiales bestehenden
Pumpengehäuses 11 ist auf jeder Seite ein Elektromagnet 19 angeordnet. Um den Elektromagnet
19 ist jeweils auf jeder Seite eine Magnetspule 20 gewickelt. Die Wicklung der Magnetspule
20 ist dabei so gewählt, daß sie im wesentlichen die gesamte Fläche des dazugehörigen
Kolbenraumes 13 bzw. 14 abdeckt. Dies bedeutet, die Ebene der Magnetspule befindet
sich parallel zu den beiden Kolbenflächen. Auf diese Weise wird überall eine gleiche
Magnetkraft erzeugt. Die beiden Elektromagnete sind dabei so geschaltet, daß jeweils
einer - je nach Drehrichtung - eine anziehende Kraft auf den Kolben 12 ausübt, während
der andere Elektromagnet eine abstoßende Kraft erzeugt.
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Die beiden Kolbenräume 13 und 14 sind über Druckleitungen 21 und 22
mit dem Druckraum 8 bzw. Druckraum 9 des Servozylinders 7 verbunden. Dies bedeutet,
bei- einer Verschiebung des Kolbens 12 in der Zeichnung nach rechts und damit einer
Verkleinerung des Druckkol benraumes 14 wird Druckmittel unter einem entsprechenden
Druck über die Leitung 21 in den Druckraum 8 gefördert, die auf den Druckkolben
6 wirkt. Damit erfährt die Schubstange 5 eine nach rechts gerichtete Bewegung, womit
die Handkraft am Lenkkraft 1 entsprechend verstärkt wird.
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Zur Festlegung der Größe und der Richtung der Servoverstärkung dient
eine Lenkkraftmeßeinric-htung 23, welche an der Lenkspindel 2 angeordnet ist. Als
Lenkkraftmeßeinrichtungen, welche die Verdrehung der Lenkspindel aufgrund der Lenkkraft
messen sollen und anschließen als elektrische Signale einer Regeleinrichtung 24
zuführen sollen, lassen sich beliebig bekannte Einrichtungen verwenden. Aus diesem
Grunde werden sie hier nicht näher beschrieben. Eine Möglichkeit hierfür kann darin
bestehen, daß Dehnungsmeßstreifen verwendet werden,
welche in üblicher
Weise in einer Widerstandsbrückenschaltung liegen. Hierzu wird man die Dehnungsmeßstreifen
an einem Teil in der Lenkspindel 2 anordnen, in welchem die Torsionskraft verstärkt
auftritt. Hierzu kann z.B. ein an sich bekannter Drehstab verwendet werden.
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In der Regeleinrichtung, welche im allgemeinen von elektronischer
Bauart sein wird und ebenfalls dem Fachmann in ihrer Art grundsätzlich bekannt ist,
werden die ankommenden Signale ausgewertet und zur Versorgung der Elektromagnete
mit Strom zur gewünschten Bewegung des Kolbens 12 verwendet. Es ist lediglich erforderlich,
daß die Regeleinrichtung 24 mit einer Stromquelle 25 verbunden ist, welche z.B.
die Fahrzeugbatterie sein kann.
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Zusätzlich kann eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 26 vorgesehen
sein, deren Werte ebenfalls in die Regeleinrichtung 24 eingegeben werden.
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In den Führungsauyen 15 sind Druckausgleichsbohrungen 27 angeordnet,
durch die jeweils der dazugehörige Kolbenraum 13 bzw. 14 mit der Aussparung 17 zum
Druckausgleich verbunden ist.
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Der in Scheibenform ausgebildete Kolben 12 ist an seinem Umfang mit
einem Ausgleichsraum 28 versehen, wobei Stege 29 an beiden Seiten mit entsprechenden
Dichtungen in üblicher Weise die beiden Kolbenräume 13 und 14 und den Ausgleichsraum
28 voneinander trennen. Über wenigstens eine Zulaufbohrung 32 ist der Ausgleichsraum
mit einem Druckmittel raum 33 verbunden. Ausgleichsbohrungen 30 stellen die Verbindung
des
Ausgleichsraumes mit den beiden Kolbenräumen 13 und 14 her,
wobei in den Ausgleichsbohrungen 30 in Richtung auf die Kolbenräume 13 und 14 hin
sich öffnende Rückschlagventile 31 angeordnet sind.