DE3400914A1

DE3400914A1 - Motorbetriebenes servolenksystem

Info

Publication number: DE3400914A1
Application number: DE19843400914
Authority: DE
Inventors: Akio Hashimoto; Tomio Yasuda
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1983-01-17
Filing date: 1984-01-12
Publication date: 1984-07-26
Also published as: GB2135642A; DE3400914C2; GB8401066D0; US4538698A; GB2135642B; JPS59130780A

Description

Motorbetriebenes Servolenksystern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Servolenksystem, bei dem ein Elektromotor zur Abgabe einer HilfsDenkkraf t zum Verstärken des Drehmoments verwendet wird, das von dem Fahrer an dem Lenkrad eines Fahrzeugs aufgebracht wird.

Wenn ein Fahrzeug stillsteht oder sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegt, ist zum Drehen des Lenkrads für das Äuslenken der Räder eine große Kraft erforderlich. Insbesondere bei Frontmotor-Frontantrieb-Kraftfahrzeugen, die in der letzten Zeit zunehmend an Beliebtheit gewonnen haben, muß an dem Lenkrad eine noch größere Kraft aufgebracht werden, da die Vorderräder eines Fahrzeugs dieser Art ein größeres Gewicht tragen.

Bekanntermaßen wird bei einem Servolenksystem das Drehmoment verstärkt, das von dem Fahrer des Fahrzeugs an dem Lenkrad aufgebracht wird. Dieses Servolenksystem erzeugt entsprechend der von dem Fahrer von Hand ausgeübten Lenkkraft eine Antriebs- bzw. Stellkraft und gibt diese an den Lenkungsmechanismus ab. Die meisten der derzeit praktisch

Dresdner Bank (Manchen) Kto. 3939 B44
A/7

Bayer. Vereinsbank (München) Kto 508941 Postscheck (München) KIo 670-43-004

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eingesetzten Servolenksysteme sind als hydraulische Systeme aufgebaut. Im einzelnen weist ein solches hydraulisches System ein Steuerventil, einen Hydraulikzylinder usw. auf und gibt eine HÜfslenkkraf t dadurch ab, daß Hydrauliköl entsprechend der von' dem Fahrer aufgebrachten Lenkkraft bewegt wird.

Nachteiligerweise sind jedoch das Steuerventil, der Hydraulikzylinder usw. sperrig. Ferner können Rohre für das Ver- binden dieser Bauteile nicht mit einer Krümmung unter einem vorgegebenen Wert gebogen werden, da sonst ein hoher Druckverlust auftritt. Weiterhin müssen bei dem hydraulischen System zuverlässig Dichtungen zum Verhindern eines Ölaustritts eingebaut werden. Darüber hinaus ist es' mühsam, ein solches hydraulisches System einzubauen. Aus diesen Gründen ist es schwierig, das Servolenksystem in einem Fahrzeug einzubauen, bei dem wie bei einem· Frontmotor-Fröntantrieb-Fahrzeug für den Einbau wenig Raum verfügbar ist.

Zum Lenken eines Fahrzeugs ist mit abnehmender Geschwindigkeit eine größere Kraft erforderlich,und umgekehrt. Das Servolenksystem nach dem- Stand der Technik ist unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ständig wirksam.

· Daher entstehen bei niedrigen Geschwindigkeiten keine Schwierigkeiten, jedoch wird bei höheren Geschwindigkeiten die zum Lenken des Fahrzeugs aufzubringende Kraft ungewöhnlich stark verringert. Dies kann zu der Möglichkeit führen, daß ein mit dem Servolenksystem nicht vertrauter Fahrer das Lenkrad über einen übermäßig großen Winkel, dreht, was Gefahren mit sich bringt. Selbst dem an die Servolenkung gewöhnten Fahrer wird das Fahren erleichtert, wenn zum Lenken des Fahrzeugs bei hoher Geschwindigkeit eine etwas größere Kraft notwendig ist. Daher wurde ein Servolenksystem vorgeschlagen, bei dem die Fahrzeuggeschwindigkext gemessen wird und ein dieser Geschwindigkeit

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angepaßtes Hilfsdrehmoment erzeugt wird. Das Steuersystem dieses Servolenksystems ist jedoch sehr kompliziert und daher kostspielig.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten wurde in der deutschen Patentanmeldung P 33 36 272.6 (japanische Patentanmeldung 174 753/1982) ein motorbetriebenes Servolenksystem vorgeschlagen, bei dem dann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt, zur Verstärkunq des von dem Fahrer an dem Lenkrad aufgebrachten Drehmoments ein Elektromotor entsprechend dem gemessenen Drehmoment gespeist wird, während dann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit den Wert übersteigt, der Motor abgeschaltet· wird. Dieses vorgeschlagene System ergibt einen verhältnismäßig einfachen Aufbau und arbeitet zufriedenstellend als Servolenksystem bei niedrigen Geschwindigkeiten, bei denen ein Hilfsdrehmoment erforderlich ist.

Die herkömmlichen geschwindigkeitsabhängigen Servol.enksysterne einschließlich des vorstehend beschriebenen Systems sind bei höheren Geschwindigkeiten unwirksam. Falls die zum Lenken des Fahrzeugs bei hohen Geschwindigkeiten aufzubringende Kraft größer als die bei mittleren Geschwindigkeiten aufzubringende ist, würde dies das Fahren erleichtern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein motorbetriebenes Servolenksystem zu schaffen, bei dem Änderungen des Lenkungsempfindens des Fahrers abgeschwächt werden, die entsprechend Änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit verursacht werden.

Dabei soll bei dem erfindungsgemäßen Servolenksystem die zum Betätigen des Lenkrads bei hohen Geschwindigkeiten erforderliche Kraft größer als die Kraft werden, die aufzubringen ist, wenn keine Servolenkhilfe ζχχτ Verfügung steht.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen System ein Elektromotor wie ein Gleichstrommotor als Antriebsquelle benutzt und unter Verwendung eines aus einem Geschwindigkeitsmeßgeber erhaltenen Signals die Fahrzeug-B geschwindigkeit in mindestens drei Bereiche eingeteilt. In •dem. ersten Geschwindigkeitsbereich empfängt das System ein Signal· aus Lenkdrehmomentfühlern und bewirkt, daß der Elektromotor entsprechend dem von dem Fahrer aufgebrachten' Lenkdrehmoment ein Drehmoment zum Verstärken dieses Lenkdrehmoments abgibt. In dem zweiten Geschwindigkeits-¹I

bereich wird der Elektromotor abgeschaltet. In dem dritten Geschwindigkeitsbereich wird an die Wicklung des Elektromotors eine Belastung wie ein Widerstand angeschlossen, um die .Lenkdrehung zu bremsen.

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Im einzelnen wird dann, wenn an die Motorwicklung keine Belastung angeschlossen ist, der Motor nicht gespeist, so . " daß er an irgendeiner äußeren Kraft keine Bremskraft ausübt. Wenn andererseits die Belastung angeschlossen ist,

•20 fließt in der Wicklung ein der Größe der Belastung entsprechender Strom, so daß daher der Motor eine Kraft in Gegenrichtung zu einer von außen ausgeübten Kraft, nämlich eine Bremskraft erzeugt. Daher ist in dem dritten Bereich, nämlich bei hohen Geschwindigkeiten das als Ver-■ häl.tnis des Ausgangsdrehmoments zu dem von dem Fahrer aufgebrachten Eingangsdrehmoment definierte Servoverhältnis kleiner als "1". Dadurch wird die zum Lenken des Fahrzeugs erforderliche Kraft größer als die Kraft, die erforderlich ist, wenn keine Servo-Lenkunterstützung zur Verfügung steht. Infolgedessen hat der Fahrer bei den hohen Geschwindigkeiten ein besseres Lenkungsgefühl.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Servolenksy.stems werden der erste und der dritte Geschwindigkeitsbereich jeweils zweigeteilt und die Charakteristika in den Teilbereichen so gewählt, daß sie für den

Fahrer nur das günstigste Lenkungsempfinden ergeben und daß das gesteuerte Drehmoment bei der höchsten oder der niedrigsten Geschwindigkeit in einem Bereich oder Teilbereich gleich dem gesteuerten Drehmoment bei der niedrigsten oder der höchsten Geschwindigkeit in dem nächst höheren oder nächst niedrigeren Bereich oder Teilbereich ist, ■ um damit eine starke Änderung des Lenkd rehmoments bei dem' Wechsel der Geschwindigkeit von einem Bereich oder Teilbereich zu einem benachbarten Bereich oder Teilbereich zu IQ verhindern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Servolenksystems wird die Zeitdauer der Verbindung der Belastung mit dem Motor durch die Dauer von Impulsen in der Weise gesteuert, daß. sich das gesteuerte Drehmoment entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit ändert. Dadurch wird eine plötzliche. Änderung des dem Fahrer gebotenen Lenkungsempfindens verhindert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Blockdarstellung des motorbetriebenen Servolenksystems gemäß einem Ausfüh- " rungsbeispiel.

Figur 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht von Hauptteilen des in Figur 1 gezeigten Systems. . · _: "

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines mit dem in Figur 2 gezeigten System verbundenen Lenkungsme- . chanismus.

Figur 4 ist ein schematisches Blockschaltbild der elektrischen Schaltung des in Figur 1 gezeigten Systems.

8 ' -.■··■.

Figur .5 ist ein ausführliches Blockschaltbild eines Teils der in Figur 4 gezeigten Schaltung.

Figur 6 ist ein ausführliches Blockschaltbild eines andeg ' .ren, Teils der .in Figur 4 gezeigten Schaltung.

Figur 7 ist eine schematische Darstellung, die die Arten des Anschlusses eines Motors nach Figur 4 bei verschiedenen Betriebsarten der Schaltung nach Figur .4 zeigt.

Figur 8 ist ein Zeitdiagramm von Kurvenformen, die während eines einzelnen Betriebsvorgangs der in Figur 4 gezeigten Schaltung auftreten.

• Figur 9 ist eine graphische Darstellung, die Betriebs-,kennlinien eines bei dem System nach Figur 1 verwendeten Gleichstrom-Servomotors DM zeigt.

Figur 10a ist eine graphische Darstellung, die Zusammenhänge zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und .dem Servoverhältnis des in Figur 1 gezeigten Systems zeigt.

' Figur 10i> ist eine graphische Darstellung, die Zusammenhänge zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem von dem Fahrer aufzubringenden Lenkdrehmoment bei dem Wirken des Servolenksystems nach Figur 1 bzw. bei dessen Fehlen zeigt.

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Figur 11 ist ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung des Servolenksystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Die Figur 1 zeigt schematisch' den Gesamtaufbau des ■motorbetriebenen Servolenksystems gemäß einem Ausführungsbei-

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spiel. Bei diesem System ist mit einem Lenkrad 1 eines Fahrzeugs eine erste Lenkachse 2 verbunden, an die.über ein erstes Kreuzgelenk 4 eine zweite Lenkachse 5 angeschlossen ist. An die zweite Lenkachse 5 ist über ein zweites Kreuzgelenk 6 eine dritte Lenkachse 7 angeschlossen. An dem Kopf der dritten Lenkachse 7 ist ein Ritzel 3a (siehe Figur 2) befestigt, mit dem eine Zahnstange 3b (siehe Figur 3) zum Verstellen der. gelenkten Räder kämmt. Der Winkel <*, unter dem die zweite Lenkachse 5 gegenüber der ersten Lenkachse 2 geneigt ist, ist gleich dem Winkel c\ , unter dem die dritte Lenkachse 7 gegenüber der zweiten Lenkachse 5 geneigt ist. An der zweiten Lenkachse 2 sind Drehmoment fühl er 8 befestigt .(von denen in der Figur 1 nur einer gezeigt ist). An die dritte Lenkachse 7 ist über ein Untersetzungsgetriebe 9 ein Gleichstrom-Servomotor DM angeschlossen. Die Ausgänge der Drehmomentfühler 8 sind mit einer Steuereinrichtung 40 verbunden, deren Ausgang mit dem Motor DM verbunden ist. Ein mit dem Tachometerkabel verbundener Fahrzeuggeschwindigkeits-Meßgeber erzeugt ein Signal für die Steuereinrichtung 40.

Die Figur 2 zeigt im Schnitt den Teil des in Figur 1 <?e- zeigten Mechanismus im Fußbereich des Fahrers. Bei diesem dargestellten Beispiel weist das Untersetzungsgetriebe 9 eine Kombination aus vier. Zahnrädern auf und setzt die Drehzahl des Motors DM vor der Kraftübertragung zur dritten Lenkachse 7 um den Faktor "6" herunter. Bei diesem Beispiel werden als Drehmomentfühler 8 Dehnungsmeßstreifen verwendet. Es ist zwar nur einer der Drehmomentfühler 8 gezeigt, jedoch sind die anderen Drehmomentfühler an der Rückseite der ersten Lenkachse 2 befestigt. Das heißt, gemäß diesem Beispiel wird die zum Drehen des Lenkrads · aufgewandte Kraft durch das Messen der Torsion der Lenkachse 2 erfaßt. Jeder dieser Drehmomentfühler 8 enthält zwei Meßgeber, die in voneinander verschiedenen Richtungen ansprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die vier

to ·

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Meßgeber zu einer Brückenschaltung geschaltet, um das System von der Temperatur unabhängig zu machen. Der in Figur 2 gezeigte Lenkungsmechanismus erstreckt sich über zwei Räume, die von einer nahe dem zweiten Kreuzgelenk 6 liegenden Fußplatte 10 voneinander getrennt sind. Der Raum links der Fußplatte 10 gemäß der Darstellung.in Figur 2 ist der Motorraum des Fahrzeugs, während der Raum rechts der Fußplatte der Insassenraum ist. Mit 11 ist eiri Bremspedal bezeichnet.

ίο ■'■.'■ ·

Gemäß Figur 3 werden die Drehachsen von Vorderrädern 12a und 12b des Fahrzeugs über Stoßdämpfer 13a bzw. 13b von oberen Aufhängungsträgern 14a bzw. 14b gehalten. Zwischen den Stoßdämpfer 13a und den Träger 14a ist eine Schraubenfeder 15a gesetzt. Gleichermaßen ist zwischen den Stoßdämpfer 1,3b und den Träger 14b eine weitere Schraubenfeder 15b gesetzt.. Mit den Lagern der Vorderräder 12a und 12b sind jeweils Achsschenkelarme 16a bzw. 16b verbunden, welche jeweils über Spurstangen 17a bzw. 17b mit der Zahnstange 3b verbunden sind. Mit der Zahnstange 3b kämmt das Ritzel 3a. Ferner sind untere Aufhängungsarme 18a und 18b und ein Stabilisator 19 gezeigt.

Die Figur 4 zeigt schematisch den Aufbau der elektrischen ■ Schaltung des in Figur 1 zeigten motorbetriebenen Servolenksystems. Die graphischen Darstellungen in den" Blöcken in Figur 4 stellen schematisch die elektrischen Eigenschaften dieser Blöcke dar. In Blöcken B1, B2, B3, B5, ■B1.2, B17, B1'8 und B19 ist auf der jeweiligen Abszisse der Eingangspegel aufgetragen, während auf der jeweiligen Ordinate der Ausgangspegel aufgetragen ist. In Blöcken B9, B10, B15, B21., B24, B26, B27, B28 und B35 ist jeweils auf der Abszisse die Fahrzeuggeschwindigkeit aufgetragen, wogegen auf der Ordinate der Ausgangspegel aufgetragen ist. In den Figuren 5 und 6 sind jeweils Widerstände in Form schmaler Rechtecke dargestellt.

Gemäß den Figuren 4 bis 6 bilden die beiden Drehmomentfühler 8 eine Widerstandsbrücke, deren Ausgang mit dem Block B1, nämlich einem gewöhnlichen Linearverstärker verbunden ist. Der Ausgang des Blocks B1 ist mit den. beiden Blöcken B2 und B3 verbunden. Der Block B2 ist ein Vergleicher zum Erfassen der Richtung des Eingangsdrehmoments. Der Ausgang des Blocks B2 ist mit einem Eingang A einer (nachfolgend beschriebenen) logischen Schaltung B31 verbunden. Der Block B3 ist eine Absolutwertschaltung, die ,Q unabhängig von der Polarität des Eingangssignals ein zum Eingangssignal linear proportionales positives Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Blocks B3 liegt an' einem Multiplizierer B4 an. .

ic Das Signal aus einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Meßgeber 30 liegt an einem Frequenz/Spannungs- bzw. f/V-ümsetzer B8 an, in dem das Signal in eine Spannung umgesetzt wird. Die Ausgangsspannung des Umsetzers B8 wird dem Multiplizierer B4 über einen Funktionsgenerator B30 zugeführt, der Vergleicher B9, B35, B29 und B26/ eine logische Schaltung B40, Spannungsgeber B10, B15, B21, B24 und B27 und Ana- . logschalter B11, B16, B22, B25 und B28 enthält. Die Vergleicher B9, B35, B29 und B26 geben Binärsignale durch Vergleich ihrer Eingangssignale mit Signalen für vorge-.

25: wählte Fahrzeuggeschwindigkeiten V1, V2, V3 bzw. V4 ab.

Die logische Schaltung B40 ermittelt aus den Binärsignalen der Vergleicher B9, B35, B29 und B26, in welchen von fünf Bereichen die gerade bestehende Fahrzeuggeschwindigkeit fällt, und schließt oder öffnet dann für den jeweiligen Geschwindigkeitsbereich die mit den zugeordneten Spannungsgebern verbundenen Analogschalter. Das Ausgängssignals des Vergleichers B29 ist an einen Eingang B der . logischen Schaltung B31 angelegt und bestimmt, ob ein Hilfsdrehmoment oder eine Bremskraft hervorgerufen werden soll.

' 12

Bei dem dargestellten Beispiel wird in dem Geschwindigkeitsbereich νσίι Null bis V1 der Analogschalter BI1 zum Wählen,des Spannungsgebers B10 geschlossen, während alle anderen Analogschalter geöffnet werden. Gleichermaßen · werden in den Geschwindigkeitsbereichen von V1 bis V2, von V2 bis V3, von V3 bis V4 und oberhalb von V4 die Analogschalter B16, B22, B25 bzw. B28 geschlossen-, um . damit jeweils die Spannungsgeber B15, B21, B24 bzw. B27 zu wählen. Das Signal aus dem einen gewählten Spannungsgeber wird über den zugeordneten Analogschalter dem Multiplizierer B4 zugeführt. Die Spannungsgeber B10, B21 und . B27 erzeugen vorgegebene Spannungen, die schon durch das Einstellen von veränderbaren Widerständen bestimmt sind. Die Spanriungsgeber B15 und B24 erzeugen Spannungen, die sich in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit ändern. Der Spannungsgeber B15 fügt einer der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Spannung einen vorbestimmten, mittels eines veränderbaren Widerstands eingestellten Vorspannungspegel hinzu und gibt dann eine zur Fahrzeuggeschwindigkeit umgekehrt proportionale Spannung ab.

Der Multiplizierer B4 gibt ein Ausgangssignal ab, dessen Pegel das Produkt aus dem Drehmomentsignal aus dem Block

. B3 und dem Signal ist, das von dem Funktionsgenerator B30 entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit abgegeben wird. Dieses Ausgangssignals des Multiplizierers B4 liegt an einem Differenzverstärker B5 an, der die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Multiplizierers B4 und einem Signal verstärkt, welches durch das (später beschriebene)

3-0 Zurückführen eines Motorstroms zur Eingangsstufe erzielt wird. Falls jedoch der Ausgangspegel des Differenzverstärkers B5 einen vorbestimmten Pegel erreicht, der durch die Kennlinie einer Zenerdiode ZD bestimmt ist, wird der Ausgangspegel konstant gehalten. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers B5 wird über eine Proportional-/Integralregler- bzw. PI-Kompensationsschaltung B6 einer Im-

pulsdauermodulationsschaltung Β7 zugeführt. Die Modulationsschaltung B7 gibt ein Ausgangssignal ab, dessen Impulsdauer entsprechend dem Ausgangspegel der Kompensationsschaltung B6 moduliert ist, dessen Periode aber die gleiehe wie diejenige des Signals aus einem Oszillator B13 ist. Das modulierte Signal liegt an einem Eingang D der logischen Schaltung B31 an. Bei diesem besonderen Beispiel erzeugt der Oszillator B13 ein Signal mit der Frequenz 2kHz. ,

In eine mit der Wicklung des Motors DM verbundene Leitung ist ein Stromwandler CT geschaltet. Das Signal aus dem Stromwandler CT wird zu einem Verstärker B17 zurückgeführt, dessen Ausgang über eine Absolutwertschaltung B18 mit einem Verstärker B12 und einem Vergleicher BT9 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers B12 liegt an dem Verstärker B5 an. Der Vergleicher B19 hat eine Hysterese und gibt ein Ausgangssignal an einen Eingang C der logischen Schaltung B31 ab.

An jeweils entsprechende Ausgangsanschlüsse der togLschen Schaltung B31 sind über jeweilige Basistreiberstufen Schalttransistoren Q1 bis Q6 zum Steuern des Motorstroms angeschlossen. Die Transistoren Q1 bis Q4 dienen zum ' Speisen des Gleichstrom-Servomotors DM und sind zur Veränderung der Richtung des in der Wicklung des Motors DM fließenden Stroms in der Form einer Brücke geschaltet. Im einzelnen fließt durch Einsteuerung von zwei einander diametral gegenüberliegenden dieser Transistoren in der Wicklung ein Strom in einer vorgegebenen Richtung. Die Transistoren Q5 und Q6 dienen zur Steuerung der Brems-Wirkung durch das Steuern der elektrischen Verbindung zwischen der Wicklung des Motors DM und einem Widerstand R. Im einzelnen wird durch das Durchschalten des Transistors Q5 oder Q6 der Widerstand R an die Wicklung ange-

schlossen, so daß in dem Motor über diesen Weg ein Strom fließt. Infolgedessen wird die Drehung des Motors DM gebremst. Eine Gleichstromdrossel L verhindert, daß bei der Impulsdauersteuerung Stromunterbrechungen hervorgerufen werden.i

Nach Figur 6 enthält die logische Schaltung B31 UND-Glieder AN1 bis AN4, NAND-Glieder NA1 bis NA4; Inverter INI bis IN7. und Treiberstufen DV1 bis DV6. Alle Treiberstufen DV1 bis DV6 haben den gleichen Aufbau und sind jeweils mit einem.Fotokoppler mit einer Leuchtdiode ausgestattet. In den mit den Basen der Transistoren Q1 bis Q6 verbundenen .Basistreiberstufen sind Fototransistoren eingebaut,, die optisch mit den jeweiligen Leuchtdioden gekoppelt sind. Auf diese Weise wer.den bei dem Aufleuchten der Leuchtdioden der Treiberstufen DV1 bis DV6 die jeweils zugeordneten Transistoren Q1 bis Q6 durchgeschaltet.

Die·Figur 7 zeigt die Anschlußweise des .Servomotors DM bei verschiedenerlei Betriebsarten. Die Schaltzustände • der Transistoren Q1 bis Q6 bei den verschiedenen Betriebsarten des Systems sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgelistet.

Tabelle .1

Betriebsart	Hilfsdrehmoment	< V2	Bremsen'	> V3
•Zustand	Geschwindigkeit	rückw.	Geschwindigkeit	rückw.
Drehung	vorw.	AUS	vorw.	AUS
Q1	EIN	EIN	AUS	AUS
u Q2 ■	AUS	EIN	AUS.	AUS
% Q3	AUS	AUS	AUS	AUS
S Q4	■ EIN	AUS	AUS	AUS-
£ Q5 · "	'·· AUS	AUS	EIN	EIN
Q6	AUS	AUS

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Gemäß Figur 7 und Tabelle 1 werden dann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer als V2 ist und von dem Motor DM ein Hilfsdrehmoment erzeugt werden soll, bei einem von dem Fahrer an der Lenkachse ausgeübten "Vorwärts"-Drehmoment die Transistoren Q1 und Q4 durchgeschaltet, wie aus dem in Figur 7 mit "Vorwärtsdrehung" beschrifteten Schaltbild ersichtlich ist. Auf diese Weise fließt im Anker des Motors ein Strom in einer derartigen Richtung, daE der Motor in Vorwärtsrichtung dreht. Bei'diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom nicht . durchgehend zugeführt, sondern es wird der Transistor Q1 durch das in der Impulsdauer modulierte.Signal aus.der Steuereinrichtung mit einer bestimmten Periode ein- und ausgeschaltet. Daher wird die Motorantriebsschaltung abwech-.

selnd ein- und ausgeschaltet.

Wenn der Fahrer an der Lenkachse ein "Rückwärts"-Drehmoment ausübt, werden die Transistoren Q2 und Q3 durchgeh [ schaltet, wie es aus dem in Figur 7 mit "Rückwärtsdrehung"

^O beschrifteten Schaltbild ersichtlich ist; dabei fließt der Strom, in einer derartigen Richtung, daß der Motor DM in Gegenrichtung dreht. In diesem Fall wird durch das in der Impulsdauer modulierte Signal aus der Steuereinrichtung der Transistor Q3 mit einer bestimmten Periode abwechselnd

^° ein- und ausgeschaltet.

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V3 übersteigt, wird in Abhängigkeit von der Richtung des an der Lenkachse ausgeübten Drehmoments der Transistor Q5 oder Q6 unter einer

bestimmten Periode angesteuert, wie es aus den in Figur mit "Bremsen" beschrifteten Schaltbildern ersichtlich ist, Auf diese Weise wird die Ankerwicklung des Motors DM über den Bremswiderstand R kurzgeschlossen, so daß in der Wicklung ein Strom hervorgerufen wird. Infolgedessen erzeugt der Motor DM ein Antriebsdrehmoment in der zum Eingangs-

drehmoment entgegengesetzten Richtung, nämlich ein Bremsdrehmoment .

• In der Figur 8 sind die zeitlichen Steuerungen der Ar-

bßitsvorgänge der Transistoren Q1 bis Q6 im Zusammenhang mit dem· Eingangsdrehmoment veranschaulicht,! Bei dem Hilfsdrehmoment-Betrieb wird abhängig von der Richtung .des Eingangsdrehmoments der Transistor Q1 oder Q3 periodisch . ein-.und ausgeschaltet. Die Dauer des Einschaltzustands und des Ausschaltzustands des Transistors hängt von der Größe des: Drehmoments ab. Die dem Motor DM zugeführte elektrische Energie ist proportional zu der Dauer des Einschaltzustands des Transistors Q1 oder Q3, so daß daher der Motor DM ein dem Eingangsdrehmoment entsprechendes Hilfsdrehmoment erzeugt.

• Auf gleichartige Weise wird bei dem Bremsbetrieb abhängig von der Richtung des Eingangsdrehmoments der Transistor Q5 oder Q6 periodisch ein- und ausgeschaltet. Die Dauer des Einschaltzustands und des Ausschaltzustands des Transistors hängt von der Größe des Eingangsdrehmoments ab. Das erzeugte· Bremsdrehmoment hängt von der Stärke des in der Ankerwicklung des Motors DM fließenden Stroms ab. Da die Stromstärke zu der Dauer des Einschaltzustands des Transistors Q5 oder Q6 proportional ist, entspricht das erzeugte Bremsdrehmoment dem Eingangsdrehmoment.

Die Figur 9 zeigt die Kennlinien des bei dem vorstehend beschriebenen.Ausführungsbeispiel verwendeten Gleichstrom-Servomotor DM. Aus dieser graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß bei dem Motor ein Ausgangsdrehmoment T proportional zu einem im Motor fließenden Strom I ist. In der graphischen Darstellung sind mit N und η- jeweils die Drehzahl bzw. der Wirkungsgrad bezeichnet·.

Die Figur 10a zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit/Servo-. verhältnis-Kennlinie des Servolenksystems mit dem vorstehend beschriebenen- Ausführungsbeispiel. Die Figur 10b zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit/Fahrerlenkkraft-Kennlinie des Systems. Gemäß den Figuren 5, 10a und TOb wird bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit in dem Bereich von Null bis V1 der Analogschalter B11 geschlossen, während alle anderen Analogschalter offen gehalten werden. Dadurch wird von dem Spannungsgeber B10 eine von der Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängige konstante Spannung an den Multiplizierer B4 angelegt. In diesem Fall hängt der Sollwert des Steuersystems von dem Eingangsdrehmomentsignal aus den Drehmomentfühlern 8 ab. Das heißt, das Servoverhältnis .wird auf einem vorgegebenen Wert gehalten. Da das von dem Fahrer aufgebrachte Lenkdrehmoment von dem Motor DM ver-· stärkt wird, ist die von dem Fahrer aufzuwendende Kraft beträchtlich geringer als die Kraft, die erforderlich wäre, wenn keine Servolenkunterstützung bestehen würde. In diesem Bereich wird mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit das von dem Fahrer zum Lenken aufzubringende Drehmoment etwas kleiner.

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in dem Bereich von V1. bis V2 liegt, wird der Analogschalter B16 geschlossen und es werden alle anderen Analogschalter offen gehalten, so daß an den Multiplizierer B4 das Signal aus dem Spannungsgeber B15; angelegt wird. Der Spannungsgeber B15 enthält einen invertierenden Verstärker, dem eine bestimmte Vorspannung zugeführt wird, welche so eingestellt wird, daß der Pegel an dem Ausgangsanschluß des .Spannungsgebers B15 gleich dem Ausgangspegel des Spannungspegels B10 bei der Geschwindigkeit V1 ist. Da der Spannungsgeber B15 einen invertierenden Verstärker enthält, gibt er ein Ausgangssignal ab, dessen Pegel umgekehrt proportional zu einem an einen Eingang angelegten Geschwindigkeitssignal ist. Infolgedessen nimmt

18 '

in dem Bereich von V1 bis V2 das Servoverhältnis umgekehrt proportional zu der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird bei der Annäherung der Fahrzeuggeschwindigkeit an V2 das von dem Motor abgegebene Hilfsdrehmoment nahezu "Null", so daß sich das Servoverhältnis dem Wert "1" nähert.

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in dem Bereich- von V2 bis V3 liegt, ist der Analogschalter B22 geschlossen, so daß .der Spannungsgeber B21 dem Multiplizierer B4 ein Signal mit einen vorgegebenen Pegel zuführt. Dieser Pegel · wird so eingestellt, daß das von dem Motor DM erzeugte Hilfsdrehmoment zu "Null" wird. In diesem Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich nimmt das Servoverhältnis den Wert an.

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in dem Bereich von V3 bis V4 liegt, ist der Analogschalter B25 geschlossen, so daß der Spannungsgeber B24 dem Multiplizierer B4 ein Sig-

20' ⁿal zuführt. Da der Spannungsgeber B24 einen gewöhnlichen Verstärker aufweist, dem ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal zugeführt wird, wird an den Multiplizierer B4 ein Signal angelegt, dessen Pegel zur Fahrzeuggeschwindigkeit proportional ist. Infolgedessen steuert die Impulsdauer- · Modulatorschaltung B7 die Impulsdauer in der Weise> daß diese proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. .

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V3 übersteigt, wird an den Eingang B der logischen Schaltung B31 ein Signal mit dem hohen Pegel H angelegt, so daß das System in den Bremsbetrieb umgeschaltet wird. Im einzelnen wird dabei abhängig von dem Ausgangssignal der Modulatorschaltung B7 der Transistor Q5.oder Q6 ein- und ausgeschaltet. Da die Einschaltdauer des Transistors Q5 oder Q6 proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt, wird mit zunehmender Fahr

. 19 .

Zeuggeschwindigkeit das Bremsdrehmoment größer, während, das Servoverhältnis unter "1" abnimmt.

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über V4 liegt, wird der Analogschalter B28 geschlossen, so daß an den Multiplizierer B4 ein Signal des Spannungsgebers B27 angelegt wird. Da dieses Signal aus dem Spannungsgeber B27 unabhängig · von der Fahrzeuggeschwindigkeit immer auf einem konstanten Pegel gehalten wird, bleibt das Servoverhältnis un-

IQ verändert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgangspegel des Spannungsgebers B27 gleich dem Pegel des von dem Spannungsgeber B24 bei der Fahrzeuggeschwindigkeit V4 abgegebenen Signals. Infolgedessen schließt bei diesem Ausführungsbeispiel jeder Teil der Kennlinie des Servoverhältnisses bei den Fahrzeuggeschwindigkeiten V1, V2, V3 und. V4 stoßfrei an den benachbarten Teil an. ■ '

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die vier Analog-Vergleicher B9, B35, B29 und B26 sowie die logische Schaltung B40 dazu verwendet, den Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit zum Erzielen der in Figur 10a gezeigten Kennlinie zu bestimmen, Es ist jedoch auch möglich, für den gleichen Zweck nur Analog-Vergleicher gemäß der Darstellung in Figur 11 zu verwenden. Statt ■ dessen kann auch eine weitere. Anordnung benutzt werden, bei der das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal einem Analog/ Digital-Wandler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal an eine gewöhnliche logische Schaltung oder einen Mikrocomputer zum Ausführen von Vergleichsvorgängen abgegeben wird, durch die der Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich ermittelt wird.

Es ist ferner zu ersehen, daß das Servoverhältnis in den Bereichen von V1 bis V2 und von V3 bis V4 linear .mit der Fahrzeuggeschwindigkeit verändert wird. Alternativ kann eine einer quadratischen Kurve ähnliche Kennlinie gebildet

.=..::. ^:-^: .:· VT 34009H

werden.. Bei dieser alternativen Ausführungsform können beispielsweise die in Figur 5 gezeigten Spannungsgeber B15 und B24 durch Funktionsgeneratoren für vorgegebene Funktionen •ersetzt werden.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird bei dem Servolenksy.stem der Lenkvorgang bei hohen Geschwindigkeiten gebremst,wobei das Servoverhältnis unter "1" gebracht wird. Daher wird für den Fahrer über den ganzen Bereich der 0 Fahrzeuggeschwindigkeiten ein ausgewogenes vorteilhaftes Lenkungsempfinden erzielt.

Bei einem Servolenksystem wird zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments, das dem von dem Fahrer an dem Lenkrad eines

25'Fahrzeugs aufgebrachten Drehmoment hinzugefügt wird, ein Gleichstrom-Servomotor verwendet. Das System enthält eine elektronische Einrichtung, die ein Signal empfängt, das die Fahrzeuggeschwindigkeit angibt, den Gesamtbereich der Fahrzeuggeschwindigkeiten in mindestens drei Bereiche unterteilt und ermittelt, in welchen dieser Bereiche die

gerade bestehende Fahrzeuggeschwindigkeit fällt'. Bei dem ' niedrigsten Bereich wird von dieser Steuereinrichtung der Motor zur Abgabe eines derartigen Hilfsdrehmoments einge-• schaltet. Bei dem mittleren Bereich wird von der Einrichturig der Motor abgeschaltet, so daß kein Hilfsdrehmoment ■ erzeugt wird-. Bei dem höchsten Bereich wird von der Einrichtung an die Wicklung des Motors eine Belastung wie ein Widerstand angeschlossen, um damit die Drehung des Lenkrads zu,bremsen.

Claims

TeDTKE - BüHLING " KlME"·; Qmi* . V,-:. 5SSSbK Β»
ö_ Γ* ·Ο·* L.' .:. *►.* ' Dipl.-lng. H-Tiedtke
FtLLMANN - GRAMS —ÖTRUir . V
. DipVchem.G.Bühling
Dipl.-lng. R.
Kinne Dipl.-fng.
R Grupe Dipl.-lng. B.
Pellmann Dipl.-lng. K.
Grams · Dipl.-Chem. Dr. B. Struif
Bavariaring 4, Postfach 20 8000 München 2
Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Münch
12. Januar 1984 DE 3597 / case W-2221

Patentansprüche

I 1JMotorbetriebenes Servolenksystern, gekennzeichnet
durch einen Elektromotor (DM), eine Verbindungsvorrichtung (9) zum Verbinden des Elektromotors mit einer Lenkachse (7) eines Fahrzeugs, eine Drehmomentfühlervorrichtung (8) zum Erfassen des von dem Fahrer aufgebrachten
Lenkdrehmoments, eine Motorbremsvorrichtung (Q5, Q6, R), die mit einer Wicklung des Elektromotors verbindbar ist, und eine elektronische Steuereinrichtung (40; B30), die
den Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit in mindestens
drei Bereiche aufteilt, wobei die Steuereinrichtung in dem ersten Geschwindigkeitsbereich den Elektromotor entsprechend dem Ausgangssignal der Drehmomentfühlervorrichtung speist, in dem zweiten Geschwindigkeitsbereich den Elektromotor abschaltet und in dem dritten Geschwindigkeitsbereich die Motorbremsvorrichtung einschaltet.

2. Servolenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (40; B30) den ersten Geschwindigkeitsbereich in einen vierten und einen fünften Bereich unterteilt, wobei in dem vierten Bereich

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1. das Verhältnis zwischen dem erfaßten Drehmoment und dem von dem Elektromotor (DM) abgegebenen Drehmoment konstant qehalten wir,d, während in dem fünften Bereich das von dem Elektromotor abgegebene Drehmoment mit zunehmender Geschwindigkeit verringert wird. · ·

3. Servolenksystem nach Anspruch 2, dadurch' gekennzeichnet, daß. das von dem Elektromotor (DM) bei der niedrigsten Geschwindigkeit in dem fünften Bereich abgegebene Drehmoment im wesentlichen gleich dem von dem Elektromotor in dem vierten Bereich abgegebenen Drehmoment ist und das von dem Elektromotor bei der höchsten Geschwindigkeit in dem fünften Bereich abgegebene Drehmoment nahezu ■"Null" ist.

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4 .· Servolenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (40; B30) den dritten Geschwindigkeitsbereich in einen sechsten und einen siebenten Bereich unterteilt, wobei in dem sechsten Bereich das Ausmaß des Bremsens durch die Motorbremsvorrichtung (Q5, Q6, R) mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt, während in dem siebenten Bereich das Verhältnis zwischen dem erfaßten Drehmoment und dem Ausmaß des Bremsens durch die Motorbremsvorrichtung ■ konstant gehalten wird.

'5. Servolenksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß des Bremsens durch die Motorbremsvorrichtung (Q5, Q6, R) bei der niedrigsten Geschwindig-'30 keit in dem sechsten Bereich nahezu "Null" ist und bei der höchsten Geschwindigkeit in dem sechsten Bereich nahezu gleich demjenigen in dem siebenten Bereich ist*