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Entlastungsventil für eine hydraulische Krafteinrichtung mit einer
ständig in Betrieb befindlichen Pumpe Die Erfindung bezieht sich auf Hilfskrafteinrichtungen
zur Verwendung für Fahrzeuge. Es ist bekannt, bei Flugzeugen, Straßenfahrzeugen,
Motorbooten u. dgl. eine vom Fahrzeugantriebsmotor ständig angetriebene Pumpe für
den Betrieb einer hydraulischen Anlage zu verwenden, welche die für die Betätigung
von Klappen, Querrudern, Seitenrudern, Luken, Fahrwerken und verschiedenen anderen
Hilfseinrichtungen erforderliche Kraft liefert.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist für diese Anwendungsgebiete
geeignet und wird nachstehend in Anwendung auf die Lenkung von Kraftfahrzeugen beschrieben.,
da auf diesem Gebiet wegen der streng einzuhaltenden und bisher lästigen Beschränkungen
sich die Möglichkeiten der Einrichtung gemäß der Erfindung am besten entwickeln
lassen.
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Lenkgetriebe weisen im allgemeinen einen doppelt wirkenden Servomotor
mit einem Steuerschieber, der in seiner neutralen Stellung Zu- und Abfluß des Arbeitszylinders
kurzschließt, auf. Der Servomotor ist im allgemeinen so bemessen, daß er zwei Drittel
bis drei Viertel der Arbeit leistet, während die restlich erforderliche Kraft von
Hand aufgebracht wird, um das zu vermitteln, was in der Technik als »Gefühl« bezeichnet
wird.
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Dies ist eine bekannte Anordnung, die jedoch bestimmten Beschränkungen
unterliegt. In einem Reiseomnibus ist eine ruhige Arbeitsweise wichtig, ferner muß
die Anlage bei Leerlaufdrehzahlen des Motors betriebsfähig sein und muß bei Straßenverhältnissen,
die Motordrehzahlen ermöglichen, welche zehnmal so hoch oder noch höher als die
Leerlaufdrehzahl sind, weich steuerbar sein. Ferner darf keine übermäßige Erwärmung
eintreten.
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Eine Ursache für geräuschvolles Arbeiten ist eine starke Entlastungsströmung
durch die Mittelöffnung des Steuerschiebers. Diese Mittelöffnung führt notwendigerweise
zur Drosselung und Wirbelbildung, was bei starker Strömung Geräusche und Erwärmung
zur Folge hat. Die Entlastung über die Mittelöffnung hat, wenn diese als Hauptentlastungsweg
benutzt wird, Beschränkungen bei der Steuerung der Entlastung zur Folge, insbesondere
in den Fällen, in denen die Pumpendrehzahl innerhalb weiter Grenzen veränderlich
ist. Bisher hat man versucht, dadurch Abhilfe zu schaffen, daß man der Pumpe ein
langsam wirkendes Entlastungsventil zugeordnet hat und dessen Wirkungsweise auf
irgendeine Weise von dem Strömungsmitteldurchsatz durch die Kurzschlußöffnung des
Steuerschiebers abhängig machte.
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Bei einer bekannten Anordnung ist ein solches Entlastungsventil mit
zwei Beaufschlagungsflächen und Drosselbohrung versehen. Der Ventilkörper ist durch
eine Feder belastet und besitzt außerdem praktisch keine Differentialwirkung. Für
die Ventilbewegung ist also allein das Widerspiel zwischen der Feder und dem Druckabfall
in der Drosselbohrung maßgebend. Da die zur Zusammendrückung der Feder erforderliche
Kraft mit dem Federweg zunimmt, ist nur eine allmähliche Freigabe des Entlastungskanals
erreichbar.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines der Pumpe zugeordneten
Entlastungsventils von großer Kapazität, das jedoch so ausgebildet ist, daß es entweder
offen oder geschlossen ist, so daß es nicht allmählich oder stufenweise wirkt. Eine
Belastungsfeder ist bei diesem Ventil nicht vorgesehen. Statt dessen folgt das Entlastungsventil
den Schwankungen des Arbeitsdruckes bei Betätigung des Steuerventils rasch und ohne
Zwischenstellungen.
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Erfindungsgemäß ist also ein Entlastungsventil für eine hydraulische
Krafteinrichtung mit einer ständig in Betrieb befindlichen Pumpe und einem Steuerschieber,
der in seiner neutralen Stellung Zu- und Abfluß des Arbeitszylinders kurzschließt,
wobei in dem zwischen Pumpe und Steuerschieber angeordneten Entlastungsventil ein
einen Entlastungskanal beherrschender Ventilkörper von zwei entgegengesetzt wirkenden
Beaufschlagungsflächen gesteuert wird, die durch eine Drosselbohrung miteinander
verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Pumpendruck ausgesetzte Beaufsc'hlagungsfläche
kleiner als die dem Arbeitsdruck ausgesetzte Beaufschlagungsfläche ist und daß die
Drosselbohrung so gestaltet ist,
daß der Druckabfall in ihr ausreicht,
um beim Ansteigen des Arbeitsdrucks infolge Betätigung des Steuerventils den Entlastungskanal
ohne zusätzliche Federwirkung zu schließen, bei einem Absinken des Arbeitsdrucks
unter einen bestimmten Wert jedoch den Entlastungskanal sofort freizugeben.
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Die hierdurch erzielte Wirkung ist bemerkenswert. Die Anlage arbeitet
daher geräuschlos, und bei Betätigung des Steuerventils wird der Umgehungskanal
fast augenblicklich geschlossen, während sofort nach Entlastung des Steuerventils,
wenn das Ventilgehäuse desselben den Steuerkolben eingeholt hat, der -Umgehungskanal
wieder voll geöffnet wird. Hierdurch ist die Erwärmung durch Reibung in den langen
Leitungen zwischen Pumpe und Steuerventil auf ein Minimum herabgesetzt, ohne daß
die Betriebsbereitschaft des Steuerventils darunter leidet. Ferner kann die Größe
der Pumpe veringert werden, was eine Einsparung im Leistungsverbrauch und eine verringerte
Abnutzung ergibt.
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Es könnte die Frage auftauchen, ob die plötzlichen Ausschläge des
Entlastungsventils nicht zu unerwünschten Stoßwirkungen und Beschädigungen. Anlaß
geben. Diese Befürchtung hat sich jedoch im praktischen Betrieb nicht bewahrheitet.
Die Feder hat sich entgegen bisheriger Ansicht als überflüssig herausgestellt.
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Versuche, die mit Einheiten von üblicher Größe durchgeführt «-orden
sind, haben gezeigt, daß der Restdruck von 5 kg/cm2 auf 0,35 kg/em2 und die Höchsttemperatur
von 82 auf 49° C herabgesetzt werden kann. Im Gegensatz zu den Verhältnissen bei
bekannten Einrichtungen der erwähnten Art steht die volle Pumpenleistung zur Verfügung,
wenn die Pumpe belastet ist. Dies kann zu einer Verminderung der Größe der Pumpe
führen.
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Im nachstehenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt einer zur Verwendung
für Kraftfahrzeuglenkeinrichtungen bestimmten Pumpe, welche im Behälter der Anlage
angeordnet ist, Fig.2 eine Teilansicht, welche das Entlastungsventil der Fig. 1
in seiner Entlastungsstellung zeigt, Fig.3 eine schematische Darstellung eines einfachen
Druckmittelkreislaufs mit der Pumpe nach Fig.1, einen Steuerschieber und einen durch
denselben gesteuerten doppelt wirkenden Servomotor, Fig. 4 eine Ansicht, teilweise
in schematischer Darstellung, welche zeigt, wie die Erfindung bei einem unabhängigen
Steuerschieber zur Verwendung in einem Druckmittelkreislauf mit Kurzschluß in der
neutralen Stellung und einer Pumpe der Verdrängerbauart ausgeführt werden kann.
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Es sei zunächst auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen., in welchen die Erfindung
beispielsweise in Verbindung mit einer Flügelpumpe gezeigt ist, die eine Kammer
in Form eines geraden Kreiszylinders besitzt, in welcher ein scheibenförmiger, mit
Flügeln versehener Rotor exzentrisch gelagert ist.
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Die Pumpenkammer ist durch eine Kopfplatte 8 und eine Schlitzplatte
9, welche von der Platte 8 durch einen Ring 11 getrennt ist, abgeschlossen. Der
finit einem Flansch versehene Endblock 13 liegt auf der Schlitzplatte 9 auf.
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Der Ausströmschlitz 22 ist bogenförmig und in der Platte 9 im Bereich
der überstehenden Teile der Flügel ausgebildet. Wie Fig. 1 zeigt, ist der Schlitz
22 an der am Rotor anliegenden Fläche schmal und erweitert sich stark in Richtung
der Ausströmung. Der Einströmschlitz 26 ist ebenfalls ein bogenförmiger Schlitz
in der Platte 9.
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Die dargestellte Flügelpumpe üblicher Art stellt eine zur Anwendung
der Erfindung geeignete Pumpe der Verdrängerbauart dar. Für den beabsichtigten Zweck
ist offensiclitlicheine Drehkolbenpumpe zu bevorzugen, und zwar ist eine Pumpe mit
einer weichen Förderung und geringen inneren Verlusten erwünscht. Die dargestellte
Pumpe entspricht diesen beiden Forderungen.
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Durch den Endblock 13 führt ein Kanal 28 zum Schlitz 26. Dieser Kanal
hat einen Anschluß 29 für die Rückführleitung des Druckmittelkreislaufs und steht
in offener Verbindung mit dem ölbeliältcr 31.
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Vom Ausströmschlitz 22 führt ein Kanal zum Anschluß 34 für die Druckleitung
des Druckmittelkreislaufs.
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In dem Kanal zwischen dein Schlitz 22 und dem Ausströmanschluß 34
befinden sich das erfindungsgemäße Umgehungssteuerventil und dessen als Steuerorgan
wirkender Differentialkolben. Ein Teil der zylindrischen Bohrung 37 hat durch die
Anordnung einer rohrförmigen Buchse 38 einen verringerten Durchmesser. Diese Buchse
ist in ihrer Lage durch einen Außenflansch festgelegt, der in einer ringförmigen
Aussparung im Endblock 13 durch die anliegende Schlitzplatte 9 gehalten wird. Ein
Seitensclilitz in der Buchse 38 ist durch einen Umgeliungskanal41 mit dem Einströmkanal28
und damit sowohl mit dem Behälter als auch mit dem Einströmschlitz 26 verbunden.
Der Kanal 41 ist sehr groß bemessen, so daß, wenn dieser Kanal offen ist, die Pumpe
nahezu vollständig entlastet ist.
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Der Kanal 41 wird durch ein kombiniertes Ventil mit Differentialkolben
gesteuert, der einen größeren Kopfteil 42 besitzt, welcher in der Bohrung 37 arbeitet,
und einen kleineren Teil 43, der in der Buchse 38 arbeitet. Eine Bohrung 44 verbindet
den Ringraum am Ende der Buchse 38 mit dem Inneren des Behälters. was funktionell
gleichbedeutend mit der Verbindung desselben mit dem Kanal 41 oder dem Einströmschlitz
26 ist, da alle in freier Verbindung miteinander stehen. Durch die Ventilkolbeneinheit
42, 43 führt ein Kanal 45 von mäßig großem Querschnitt, wobei es zweckmäßig, jedoch
nicht unbedingt erforderlich ist, daß dieser Kanal in axialer Richtung durch den
Ventilkolben geführt ist.
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Der Kanal 45 ist so bemessen, daß er bei jeder Betriebsdrehzahl, einschließlich
der niedrigsten, einen Druckabfall erzeugt, der ausreicht, den Ventilkolben 42,
43 nach außen (gesehen in Fig. 1: nach links) zu bewegen, wenn der Ausströmung durch
34 nur geringer Gegendruck entgegengesetzt wird, wie dies in den Nzeutralstellungen
des Mittendurchlaßventils der Fall ist. Durch diese Bewegung wird der Kanal 41 freigelegt
und damit die Pumpe fast völlig entlastet. Wenn sich jedoch ein der Ausströmung
aus dein Anschluß 34 Widerstand leistender Gegendruck entwickelt (was der Fall ist,
wenn ein die Ausströmung beherrschender Steuerschieber so bewegt wird, daß :.eine
Mittelöffnung geschlossen oder verengt wird), hat der sich ergebende erhöhte Druck
zur Folge, daß der Ventilkolben 42, 43 mit einem vollen Hub nach innen (gesehen
in Fig. 1: nach rechts) bewegt und der Kanal 41 geschlossen wird. Dies ergibt sich
aus dem Umstand, daß der erhöhte Gegendruck auf beide Enden des Ventilkolbens 42,
43 wirksam wird, dessen äußeres Ende die größere wirksame Fläche hat, Es gibt einen
kritischen Grad des Gegendrucks, bei welchem die Steuerbewegungen einsetzen. Das
Ventil
bewegt sich dann mit vollem Hub und praktisch plötzlich.
Natürlich haben Ventilreibung und Strömungswiderstand die Neigung, die Steuerbewegungen
ziz verzögern und diese bis zu einem gewissen Grade zu dämpfen.
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Ein patronenförmiges federbelastetes Überdruckventil 47 ist zwischen
dem Ausströmkana137 und dem Behälter bzw. dem Kanal 28 eingeschaltet. Die Aufgabe
dieses Überdruckventils besteht darin, Überbelastungen und Stöße zu vermeiden, wenn
der Kanal 41 geschlossen ist; normalerweise hat es jedoch keine Regelfunktion.
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Fig.3 zeigt die wesentlichen Teile eines Druckmittelkreislaufs mit
einem Steuerschieber, der eine Pumpe der in Fig. 1 gezeigten Art enthält, welche
mit 51 bezeichnet ist.
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Die Saugleitung 52 führt zum Anschluß 29, während die Druckleitung
53 zum Anschluß 34 führt. Das Ventilgehäuse 54 hat zwei Ausströmkammern 55 und 56,
die je mit einer Abzweigung der Saugleitung 52 verbunden sind. Zwischen den Kammern
55 und 56 ist eine Einströmkammer 57, zu der die Hochdruckförderleitung 53 führt.
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Das Ventilgehäuse 54 hat eine axiale Bohrung, die sich durch die Kammern
55, 56 und 57 erstreckt und zur Aufnahme eines Steuerschiebers dient. Dieser hat
den Bohrungsdurchmesser voll ausfüllende Endteile 58 und 59, die vom Mittelsteg
61, wie gezeigt, durch zwei abgesetzte Teile getrennt sind. Das Spiel der Steuerkanten
der Endteile 58 und 59 und des Mittelstegs 61 mit den Sitzöffnungen ist mit Übertreibung
dargestellt.
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Der Servomotor ist als doppelt wirkender Zylinder 62 mit einem Kolben
63 dargestellt, dessen kolbenstange 64 kraftschlüssig mit dem Lenkgetriebe verbunden
ist. Die Arbeitsräume des Zylinders 62 sind durch Leitungen 65 und 66 mit der Bohrung
des Ventilgehäuses verbunden, wobei die Leitung 65 zwischen den Kammern 55 und 57
und die Leitung 66 zwischen den Kammern 57 und 56 angeschlossen ist.
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Wenn sich der Steuerschieber mit Bezug auf das Ventilgehäuse 54, wie
gezeigt, in seiner Mittelstellung befindet, ist die Kammer 57 nach den beiden Kammern
55 und 56 hin offen, so daß der Druck auf beiden Enden des Zylinders 62 gleich ist
und die Leitungen 52 und 53 angeschlossen sind, so daß ein sehr geringer Gegendruck
in der Leitung 53 vorhanden ist. Der Entlastungsventilkolben 42, 43 bewegt sich
daher in die in Fig.2 gezeigte Stellung und entlastet die Pumpe durch den Kanal
41.
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Es sei nun angenommen, daß der Steuerschieber aus seiner Neutralstellung
bewegt worden ist. In diesem Fall ist die Verbindung zwischen 53 und 52 unterbrochen
oder mindestens gedrosselt. Der Ventilkolben 42, 43 bewegt sich in die in Fig. 1
gezeigte Stellung und schließt den Umgehungskanal 41. Die gleiche Bewegung des Steuerschiebers
hat eine Störung des Druckgleichgewichts in den beiden Enden des Zylinders 62 zur
Folge, so daß sich der Kolben 63 bewegt und das Lenkgetriebe betätigt.
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Bei den üblichen Lenkgetrieben ist eine Folgeventilanordnung vorgesehen,
so daß eine Bewegung des Kolbens 63 das ursprüngliche Lageverhältnis des Steuerschiebers
zum Ventilgehäuse wiederherstellt. Die Wirkung ist dabei die gleiche, wie wenn die
Kolhenstange 64 mit dem Ventilgehäuse 54 verbunden wäre und eine Folgebewegung des
Ventilgehäuses und das Einholen des Ventils verursachen würde. Folgeventilsteuerungen
gibt es in vielen Arten und sind ebensolange bekannt wie Servomotoren. Was die Erfindung
betrifft, so besteht das besondere Merkmal in der Verwendung eines Steuerschiebers,
die in seiner neutralen Stellung Zu- und Abfluß des Arbeitszylinders kurzschließt.
Diesem Ventil können Rückführungseigenschaften durch irgendeine der verschiedenen
bekannten Anordnungen vermittelt werden.
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Fig. 1 bis 3 zeigen die Anwendung der Erfindung auf eine Hilfskraftlenkung
für Reiseomnibusse. Die Erfindung ist jedoch auch für verschiedene andere Zwecke
anwendbar, beispielsweise für Planiermaschinen, Straßenbaumaschinen, Lastkraftwagen
mit Kippvorrichtung, Hubkarren, um nur einige wenige zu nennen.
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Zur Darlegung der umfassenden Möglichkeiten zeigt Fig.4 die Erfindung
in Anwendung auf einen anderen Druckmittelkreislauf. Die in Fig. 1 bis 3 verwendeten
Bezugsziffern werden in Fig. 4, um die Zahl 100 erhöht, zur Bezeichnung entsprechender
Teile verwendet. Aus einem Behälter 100 wird durch eine Pumpe 151 Öl abgezogen und
unter Druck in die Leitung 153 gefördert. Die Leitung 153 führt Öl von hohem Druck
einem Steuerschieber 154 über ein Entlastungsventil im Gehäuse 113 zu. Dieses Entlastungsventil
enthält einen Differentialventilkolben 142, 143, der die Entlastung über die Umgehungsleitung
141 steuert. Die Rückführleitung 152 führt vom Steuerschieber 154 zum Ölbehälter
100. Mit 147 ist ein Überdruckventil bezeichnet.
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Der Steuerschieber 154 kann so ausgebildet sein, daß er die Einzelsteuerung
mehrerer Servomotoren ermöglicht, und hat in der dargestellten Ausführungsform vier
Anschlüsse 165, 166, 167 und 168, die für zwei doppelt wirkende Servomotoren dienen
können.