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Die
Erfindung betrifft einen Servoantrieb für die Servolenkung eines Kraftfahrzeugs
sowie das durch die Servolenkung gebildete Hydrauliksystem.
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Komfortable
Kraftfahrzeuge werden heute in der Regel mit hydraulischen Lenkkraftverstärkern ausgerüstet, die
die vom Fahrer über
das Lenkrad auf die Räder
ausgeübte
Lenkkraft verstärken.
Solche Systeme arbeiten häufig
auf hydraulischer Basis.
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Ein
solches System ist beispielsweise aus der
DE 196 42 837 C1 bekannt.
Zu dem System gehören
ein mit der Spurstange verbundener Hydraulikzylinder mit darin verschiebbar
gelagertem Kolben. Der Kolben bildet ein Abtriebsglied zur Bewegung
der Räder.
Er teilt in dem Hydraulikzylinder zwei Arbeitskammern ab.
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Die
beiden Arbeitskammern sind jeweils über Leitungen mit einem Ventilblock
verbunden, der in Ruhestellung keine der beiden Kammern und bei Aktivierung
alternativ entweder die eine oder die andere Arbeitskammer des Hydraulikzylinders
mit unter Druck stehendem Öl
beaufschlagt. Zur Erzeugung desselben dient eine Hydraulikpumpe,
die fortwährend
fördert.
Die Betätigung
des Ventilblocks wird aus der Bewegung des Lenkrads abgeleitet.
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Die
Leitungen, die den Ventilblock mit dem Hydraulikzylinder verbinden,
weisen jeweils eine Parallelschaltung aus einer Drossel und einem
Rückschlagventil
auf. Das Rückschlagventil
ist so gepolt, dass es einen in den Hydraulikzylinder gerichteten Ölstrom zulässt, einen
heraus fließenden Ölstrom jedoch
sperrt. Die zu den Rückschlagventilen
parallel geschalteten Drosseln lassen lediglich einen beschränkten Ölstrom aus
dem Hydraulikzylinder heraus zu. Durch die Parallelschaltung von
Rückschlagventil
und Drossel wird erreicht, dass Hydrauliköl schnell in den Arbeitsraum
hinein jedoch nur langsam heraus strömen kann. Dies bewirkt eine
Dämpfung der
Lenkbewegung und insbesondere eine Dämpfung von Stößen, die
während
der Fahrt des Kraftfahrzeugs von den Rädern auf das Lenkrad ausgeübt werden.
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Die
Hydraulikpumpe arbeitet fortwährend. Wenn
der Fahrer das Lenkrad bis zu seinem Maximalanschlag dreht und dann
dort weiter gegen den Endanschlag ein Drehmoment auf das Lenkrad
ausübt,
bleibt der Ventilblock in einer Stellung, in der die betreffende
Arbeitskammer des Hydraulikzylinders mit Druck beaufschlagt wird.
Wenn eine Weiterbewegung des Hydraulikzylinders in Folge des Erreichens eines
Endanschlags nicht mehr möglich
ist, baut sich somit der maximale Hydraulikdruck in dem Hydraulikzylinder
auf. Die Hydraulikpumpe muss dabei auf Förderleistung Null gehen. Dies
führt insbesondere bei
Hydraulikpumpen mit variabler Förderleistung
zu unerwünschten
Geräuschen.
Außerdem
entstehen dadurch erhebliche Energieverluste in dem Hydrauliksystem,
was zu einer Erhitzung des Öls
führt.
Es sind somit größere Ölkühler erforderlich.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, das Hydrauliksystem so zu
modifizieren, dass die genannten Nachteile nicht oder nur in abgeschwächter Form
auftreten.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Servoantrieb nach Anspruch 1 wie auch mit dem
beanspruchten Hydrauliksystem gelöst:
Der erfindungsgemäße Servoantrieb
weist ein Arbeitsgefäß mit einem
darin beweglich angeordneten Abtriebsglied auf. Das Arbeitsgefäß kann beispielsweise
als länglicher
Zylinder mit einem als Abtriebsglied darin gelagerten Kolben ausgebildet
sein. Das Arbeitsgefäß kann jedoch
auch durch das Arbeitsvolumen eines Schwenkantriebs mit Schwenkkolben gebildet
sein, der dann das Abtriebsglied bildet. Bei dem Servoantrieb kann
es sich somit um Linearantriebe, Schwenkantriebe oder auch allgemein
rotatorische Antriebe handeln. Sein Arbeitsgefäß ist mit zwei Zuführleitungen
verbunden, die das Abtriebsglied alternativ von der einen oder der
anderen Seite, im Falle des Kolbens von der einen Stirnfläche oder der
anderen Stirnfläche
her mit Druck beaufschlagen, um das Abtriebsglied in eine gewünschte Richtung
zu bewegen. Erfindungsgemäß sind zusätzlich Entlastungsleitungen
vorgesehen, die an dem Arbeitsgefäß angebracht sind und von dem
Abtriebsglied gesteuert werden. Die Steuerbohrungen werden jeweils
aktiv, d.h. freigegeben, wenn das Abtriebsglied seine Endposition
erreicht. Über
die Entlastungsleitung ist dann eine Druckentlastung des an sich
druckbeaufschlagten Arbeitsvolumens möglich. Das verwendete Hydraulikfluid
kann dadurch abfließen
und der anstehende Hydraulikdruck wird vermindert. Dadurch sinken
die Energieverluste in dem Hydrauliksystem und die von der Hydraulikpumpe
erzeugten Geräusche.
Die Systembelastung wird insgesamt vermindert, was auch die Verwendung schwächerer Hydraulikschläuche gestattet.
Der verminderte Wärmeanfall
im System ermöglicht
außerdem
die Verkleinerung vorhandener Ölkühler oder den
Verzicht auf dieselben. Außerdem
kann die Belastung der Hydraulikpumpe und des zum Antrieb der Hydraulikpumpe
häufig
benutzten Keilriemens reduziert werden. In das Hydrauliksystem zu
integrierende Schwingungsdämpfer
oder Druckpuffer können ebenfalls
verkleinert werden.
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In
seiner bevorzugten Ausführungsform
ist der erfindungsgemäße Servoantrieb
in Form eines hydraulischen Linearantriebszylinders ausgebildet mit
einem axial beweglichen Kolben, der abgedichtet verschiebbar in
der Zylinderbohrung des Hydraulikzylinders sitzt. Die Zuführleitungen
münden
an Stellen in den Innenraum des Hydraulikzylinders, die von dem
sich bewegenden Kolben vorzugsweise nicht erreicht oder überstrichen
werden. Dagegen sind die Entlastungsleitungen vorzugsweise an Steuerbohrungen
angeschlossen, die von dem sich bewegenden Kolben gezielt freigegeben
oder versperrt werden. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen,
dass der Kolben, wenn er auf eine seiner Endlagen zu läuft, die
mit der entlasteten Arbeitskammer in Verbindung stehende Entlastungsbohrung
zunächst verschließt und dann über diese
hinweg läuft,
um sie freizugeben. Geschieht dies, ist die Endstellung des Kolbens
erreicht, denn die mit der druckentlasteten Leitung verbundene Steueröffnung baut
nun den Druck in dem druckbeaufschlagten Arbeitsraum ab. Das Hydraulikfluid
kann relativ frei zirkulieren. Die Pumpenbelastung und die Wärmeerzeugung
bleiben gering.
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Das
erfindungsgemäße System
mach die sonst bei Sevolenkungen erforderlichen Überdruckventile ab den Hydraulikpumpen überflüssig. Die
Entstehung von Überdrücken an
der Hydraulikpumpe wird bei Erreichung der Endanschläge unterbunden.
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Bevorzugterweise
sind die Entlastungsöffnungen
so dicht beieinander angeordnet, dass der Kolben in Mittelstellung
zwischen ihnen ausreichend Platz findet. Sie werden dabei vorzugsweise
in einem zu der Stirnfläche
des in Mittelstellung befindlichen Kolbens angeordnet, wobei der
Abstand so groß ist wie
der gewünschte
Kolbenhub, vermindert um die Kolbendicke, die als Abstand zwischen
seinen Stirnflächen
zu messen ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die aus dem Innenraum heraus führende Entlastungsleitung mit
einem Rückschlagventil
versehen, das einen Fluss aus dem Innenraum heraus, nicht aber in
diesen hinein zulässt.
Durch diese Maßnahme
wird erreicht, dass der Kolben nicht nur mit Servounterstützung in
seine Endstellung hinein sondern auch mit Servounterstützung aus
dieser Endstellung wieder herausgefahren werden kann.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
des Servoantriebs oder des Hydrauliksystems ergeben sich aus der
Zeichnung oder der Beschreibung oder sind Gegenstand von Ansprüchen.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Hydrauliksystems
veranschaulicht. Es zeigen:
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1 das
Hydrauliksystem mit erfindungsgemäßem Servoantrieb in schematisierter,
vereinfachter Darstellung,
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2 bis 4 den
Servoantrieb des Hydrauliksystems nach 1 in verschiedenen
Betriebspositionen in schematisierter Darstellung.
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In 1 ist
ein Hydrauliksystem 1 einer Servolenkeinrichtung 2 eines
nicht weiter veranschaulichten Kraftfahrzeugs schematisch dargestellt.
Die Servolenkung dient dazu, zwei Rädern 3, 4 eine Lenkbewegung
zu erteilen. Die in Draufsicht dargestellten Räder 3, 4 schwenken
dabei um im Wesentlichen vertikal auf der Zeichenebene stehende Schwenkachsen.
Die Räder 3, 4 sind
an Radträgern drehbar
gelagert, deren Lenkhebel 5, 6 über Spurstangen 7, 8 mit
den beiden Enden einer Zahnstange 9 gelenkig verbunden
sind. Die Zahnstange 9 kämmt mit einem Ritzel 10.
Dieses ist über
eine Lenksäule 11 mit
einem Lenkrad 12 verbunden, mit dem der Fahrer die Räder 3, 4 lenkt.
Die Lenksäule 11 enthält ein drehelastisches
Element 13, das eine begrenzte Relativdrehung zwischen
dem Ritzel 10 und dem Lenkrad 12 zulässt. Das
Maß der
Relativdrehung ist von dem zwischen dem Lenkrad 12 und
dem Ritzel 10 übertragenen
Drehmoment abhängig
und steuert ein Servoventil 14, das zu dem Hydrauliksystem 1 gehört. Zu dem
Hydrauliksystem 1 gehören
außerdem
ein Servoantrieb 15, eine Hydraulikpumpe 16, ein
Druckspeicher 17 sowie ein Hydraulikreservoir 18.
Die Hydraulikpumpe 16 fördert über eine
Leitung 19 Hydraulikfluid durch ein Rückschlagventil 20 an dem
Druckspeicher 17 vorbei zu dem Servoventil 14. Von
dem Servoventil 14 führt
eine Leitung 21 zu dem Hydraulikreservoir 18 zurück. Das
Servoventil 14 ist außerdem über Leitungen 22, 23 mit
dem Servoantrieb 15 verbunden. Zu den Leitungen 22, 23 gehören Zuführleitungen 24, 25 und
Entlastungsleitungen 26, 27.
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Das
Servoventil 14 ist ein 3/4-Wegeventil, das in Mittelstellung,
wenn das Element 13 in keiner Drehrichtung verwunden ist,
geraden Durchgang von der Leitung 19 auf die Leitung 22 und
von der Leitung 21 auf die Leitung 23 bietet.
Außerdem
sind beide Wege untereinander kurzgeschlossen. Wird das Element 13 in
die eine oder die andere Richtung verdreht werden die Leitungen 19, 21; 22, 23 gerade oder überkreuz
miteinander verbunden, um mit dem Servoantrieb 15 eine
Kraft zu erzeugen, die die über das
Ritzel 10 auf die Zahnstange 9 ausgeübte Kraft unterstützt.
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Der
Servoantrieb 15 weist ein Arbeitsgefäß 28, beispielsweise
in Form eines Zylinderrohrs auf, dessen Enden abgeschlossen sind.
Durch beide Abschlüsse
führt eine
Kolbenstange 29, die mit einem Abtriebsglied 30 verbunden
ist. Dieses wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen
Kolben gebildet, der an seinem Außenumfang abgedichtet, dabei
aber verschiebbar in dem Arbeitsgefäß 28 bzw. Zylinder
gelagert ist. Der Kolben 30 teilt in dem Zylinder 28 Arbeitskammern 31, 32 ab,
die entsprechend mit den Zuführleitungen 25, 24 verbunden
sind. Außerdem
münden
die Entlastungsleitungen 27, 26 in die Arbeitskammern 31, 32.
In den Entlastungsleitungen 26, 27 sind Rückschlagventile 33, 34 angeordnet,
die einen Fluss aus dem Innenraum des Arbeitsgefäßes bzw. Zylinders 28 heraus,
jedoch nicht in diesen hinein zulassen. Anstelle der Rückschlagventile
können
auch Druckregelventile vorgesehen werden, die den Druck in der Arbeitskammer
auf einen definierten Wert einstellen, sobald sie freigegeben sind.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Servowirkung am Endanschlag
nicht abrupt wegfällt
sondern vermindert erhalten bleibt.
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Der
Servoantrieb 15 ist in 2 gesondert schematisch
veranschaulicht. Sein Kolben 30 befindet sich in einer
Mittelposition I, bei der beide Arbeitskammern 31, 32 ungefähr gleich
groß sind.
Der Kolben 30 begrenzt die Arbeitskammern 31, 32 mit
seinen Stirnflächen 35, 36.
Diese sind zueinander in einem Abstand A angeordnet. Der Kolben 30 kann sich in
dem Arbeitsgefäß bzw. Zylinder 28 aus
seiner Mittelstellung I in eine in 4 veranschaulichte
Endstellung III bewegen, wobei er einen Hub H durchläuft. Das
Zylinderrohr, das das Arbeitsgefäß 28 bildet,
ist länger
als der doppelte Hub H. Die Zuführleitungen 24, 25 münden an
Stellen 37, 38 in die Arbeitskammern 31, 32,
die von dem Kolben 30 auf seinem Weg nicht überstrichen
werden. Hingegen zweigen die Entlastungsleitungen 26, 27 an
Steueröffnungen 39, 40 von
dem Arbeitsgefäß bzw. Zylinder 28 ab,
die von dem Kolben 30 überdeckt
und somit gezielt geschlossen und freigegeben werden können. Dabei
ist der Abstand B der Stelle 37 von der Steueröffnung 39 größer als
der Abstand A (siehe 4). Ebenso ist der Abstand zwischen
der Stelle 38 und der Steueröffnung 40 größer als
der Abstand A.
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Des
Weiteren ist der Abstand C der Stirnfläche 36 von der Steueröffnung 39 des
sich in Mittelstellung I befindlichen Kolbens 30 vorzugsweise gleich
der Differenz zwischen dem Hub H und dem Abstand A.
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Der
Servoantrieb 15 ist bezüglich
einer Mittelebene symmetrisch ausgebildet, die von der Mitte des
in Mittelstellung I befindlichen Kolbens 30 definiert ist
und auf der die von der Kolbenstange 29 vorgegebene Achse
senkrecht steht.
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Das
insoweit beschriebene Hydrauliksystem 1 und die Servolenkung 2 arbeiten
wie folgt:
1 veranschaulicht den Zustand
des Hydrauliksystems 1 bei Geradeausfahrt. Das Servoventil 14 verbindet
die Leitungen 19, 22, 23, 21 miteinander. Das
von der Hydraulikpumpe 16 fortwährend mit mehr oder minder
großem
Fördervolu men
geförderte Hydraulikfluid
kann somit drucklos über
die Leitung 21 in das Hydraulikreservoir abgegeben werden.
Der Servoantrieb 15 befindet sich in der Position gemäß 2.
In beiden Arbeitskammern 31, 32 herrscht der gleiche,
relativ niedrige Druck.
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Es
wird nun angenommen, dass der Fahrer das Fahrzeug nach links lenken
will. Bezogen auf die Verhältnisse
in 1 muss dazu eine Verschiebung der Zahnstange 9 nach
rechts vorgenommen werden, was durch Linksdrehung des Lenkrads 12 eingeleitet
wird. Dabei gibt das Element 13 elastisch nach, wodurch
das Pilotventil 14 gemäß dem Leitungsschema
seines rechts dargestellten Felds aktiv wird. Damit wird die in 1 linke
Arbeitskammer 31 mit Druck beaufschlagt und die Kolbenstange 29 und die
Zahnstange 9 werden nach rechts bewegt, um die Räder 3, 4 nach
links einzuschlagen. Ausgehend von der in 2 veranschaulichten
Position I des Kolbens 30 wird dieser in die Position II
gemäß 3 verschoben.
Die Arbeitskammer 31 ist druckbeaufschlagt, während die
Arbeitskammer 32 druckentlastet ist. Hydraulikfluid strömt über die
Leitung 23 und die Zuführleitung 25 in
die Arbeitskammer 31. Das Rückschlagventil 34 bleibt
geschlossen.
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Der
Kolben 30 verdeckt, wenn er sich nach rechts bewegt, zunächst die
Steueröffnung 39.
von dem Kolben 30 verdrängtes
Hydraulikfluid kann über die
Zuführleitung 24 und
die Leitung 22 sowie das Servoventil 14 und die
Leitung 21 in das Hydraulikreservoir 18 abfließen.
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Soll
das Fahrzeug in Gegenrichtung gelenkt werden schaltet das Servoventil 14 um
und es wird die Arbeitskammer 32 über die Zuführleitung 24 mit Hydraulikfluid
versorgt während
Hydraulikfluid aus der Arbeitskammer 31 über die
Zuführleitung 25 und die
Leitung 23 abfließen
kann.
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Wird
der anfangs beschriebene Linksradeinschlag der Räder 3, 4 beibehalten
und durch fortwährendes
Drehen des Lenkrads 12 nach links fortgesetzt bis die maximale
Radeinschlagsposition erreicht ist, bewegt sich der Kolben 30 immer
weiter nach rechts bis er die in 4 veranschaulichte
Position III eingenommen hat. In dieser gibt seine Stirnfläche 35 die
Steueröffnung 39 frei.
Das Servoventil liefert fortwährend
und noch immer Hydraulikfluid über
die Zuführleitung 25 in
die Arbeitskammer 31. Sobald der Kolben 30 jedoch über die
Steueröffnung 39 hinweg
gelaufen ist und seine Stirnfläche 35 somit rechts
neben der Steueröffnung 39 positioniert
ist, kann das Hydraulikfluid aus der Arbeitskammer 31 über die
Entlastungsleitung 36, das Rückschlagventil 33,
die Leitung 22, das Servoventil 14 und die Leitung 21 in
das Hydraulikreservoir 18 abfließen. Somit fällt der
Hydraulikdruck in der Arbeitskammer 31 auf einen niedrigen
Wert ab sobald der Kolben 30 die Steueröffnung 39 freigegeben
hat. Er bleibt somit stehen, d.h. er hat seine hydraulisch definierte
Anschlagposition erreicht. Die Anschlagsposition wird durch die Position
der Steueröffnung 39 festgelegt.
Entsprechend wird die linke Anschlagsposition durch die Position
der Steueröffnung 40 festgelegt.
Der Abstand der Steueröffnungen 39, 40 voneinander
zuzüglich des
Abstands A des Kolbens 30 definiert den vom Rechtsanschlag
bis zum Linksanschlag maximal zu durchlaufenden Hub des Kolbens 30.
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Durch
die in der Endanschlagsposition des Kolbens 30 eintretende
Druckverminderung und die über
die Entlastungsleitung 26 gegebene Verbindung zwischen
der unter Druck ste henden Leitung 23 und der drucklosen
Leitung 23 wird die Hydraulikpumpe 16 in Anschlagsposition
entlastet. Geräuschbildungen
an der Hydraulikpumpe 16 oder sonstigen Hydraulikkomponenten
werden minimiert. Der Druckspeicher 17 kann evtl. entfallen
oder in seiner Größe bzw.
Kapazität
minimiert werden. Durch die Verminderung der sonst auftretenden
Wärmeerzeugung kann
auf Ölkühler verzichtet
oder die Größe derselben
minimiert werden.
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Die
Steueröffnung 39 legt
die rechte Endposition des Kolbenwegs fest. Entsprechend legt die Steueröffnung 40 die
linke Endposition des Wegs des Kolbens 30 fest. Wird sie
freigegeben, weil der Kolben 30 unter Druckbeaufschlagung
der Leitung 22 seine linke Maximalposition erreicht hat, öffnet das Rückschlagventil 34 und über die
Entlastungsleitung 27 findet eine Druckentlastung der Arbeitskammer 32 statt,
wodurch je nach Position der Druckentlastungsbohrung die servounterstützte Bewegung
des Kolbens unterbleibt und eine weitere Bewegung der Kolbenstange
nur noch unter Einwirkung der Lenkkraft des Fahrers stattfinden
kann. Die Hydraulikpumpe 16 wird entlastet.
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Ein
erfindungsgemäßer Servoantrieb
besteht aus einem Hydraulikzylinder mit einem darin gelagerten Kolben 30,
der zwei Arbeitskammern 31, 32 abteilt. Zur Festlegung
rechter und linker Endpositionen des Kolbens 30 dienen
Entlastungsleitungen 26, 27, die über Steueröffnungen 39, 40 mit
den Arbeitskammern 31, 32 verbunden sind. Die
Steueröffnungen 39, 40 werden
von dem Kolben 30 jeweils in seiner Endposition freigegeben
und führen
dann zu einer Druckentlastung der aktiven Arbeitskammer. Es wird
somit ein durch die Position der Entlastungsöffnungen 39, 40 vorgegebener
Endanschlag gebildet, der durch an der betreffenden Stelle eintretende Druckentlastung
der aktiven Arbeitskammer gebildet wird. Diese Maßnahme entlastet
die Hydraulikpumpe 16 insbesondere in den Endanschlagspositionen.