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Die
Erfindung betrifft eine Fahrzeuglenkung sowie ein Verfahren zum
Betrieb einer Fahrzeuglenkung.
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Heutige
Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, sind in der Regel
mit hydraulischen oder elektrohydraulischen Servolenkungen ausgestattet,
bei denen ein Lenkrad mechanisch mit den lenkbaren Fahrzeugrädern zwangsgekoppelt
ist. Die Servo-Unterstützung der
Fahrzeuglenkung weist in der Regel im Mittelbereich des Lenkmechanismus Aktuatoren
auf, beispielsweise Hydraulikzylinder. Durch eine von den Aktuatoren
erzeugte Kraft wird die Betätigung
des Lenkmechanismus in Reaktion auf die Drehung des Lenkrades durch
den Fahrer unterstützt.
Dadurch wird der Kraftaufwand des Fahrers beim Lenkvorgang verringert.
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Bei
bekannten Fahrzeuglenkungen ist ein analog angesteuertes Schieberventil
vorgesehen, dass sowohl die Wirkrichtung des Unterstützungszylinders
als auch die Höhe
des Unterstützungsdruckes regelt.
Das Schieberventil ist als Drehschieberventil ausgebildet, bei dem
der Schieber über
einen Hubmagneten und/oder über
einen Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe so positioniert wird,
dass sich der gewünschte
Staudruck am Un terstützungszylinder
bei der gewünschten
Zylinderkammer in der gewünschten
Höhe einstellt.
Die erforderlichen Drehschieberventile sind relativ komplex und
erfordern einen hohen Herstellungsaufwand.
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Hiervon
ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine al-ternative Fahrzeuglenkung
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Fahrzeuglenkung nach Anspruch 1 gelöst. Die
Erfindung schlägt eine
Fahrzeuglenkung für
Kraftfahrzeuge mit einer vom Fahrer betätigbaren Lenkhandhabe vor,
die mit lenkbaren Fahrzeugrädern
wirkungsmäßig verbunden
ist, um eine Fahrtrichtung vorzugeben. Die Fahrzeuglenkung umfasst
einen hydraulischen Arbeitszylinder, der zwei Wirkrichtungen aufweist,
sowie eine hydraulische Druckquelle, die eine Ventilbaugruppe mit
einem hydraulischen Druck beaufschlagt. Die Ventilbaugruppe steuert
die Höhe
des an den Arbeitszylinder weitergeleiteten hydraulischen Drucks und
legt die Wirkrichtung des Arbeitszylinders fest. Die Ventilbaugruppe
umfasst zwei getrennten Ventile, wobei das erste Ventil die Wirkrichtung
des Arbeitszylinders festlegt und das zweite Ventil den Arbeitsdruck
für den
hydraulischen Arbeitszylinder steuert.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist das erste Ventil ein digital ansteuerbares elektro-magnetisches
Schieberventil ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist
das erste Ventil ein analog ansteuerbares elektro-magnetisches Schieberventil.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung weist das erste Schieberventil
eine variable Schaltgeschwindigkeit auf. Die variable Schaltgeschwindigkeit
ist günstig,
um weiche Schaltvorgänge zu
erzielen.
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Bei
einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel
stellt der Schieber des ersten Ventils beim Umschalten von der einen
auf die andere Wirkrichtung des Arbeitszylinders einen hydraulischen
Kurzschluss zwischen den beiden Zylinderkammern des Arbeitszylinders
her. Der hydraulische Kurzschluss erhöht den Lenkkomfort für den Fahrer.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche Signale von einem Lenkwinkelsensor
und von einem Lenkmomentsensor empfängt und hieraus Steuerbefehle
ableitet, die an die Ventilbaugruppe abgegeben werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das zweite Ventil ein analog ansteuerbares Schieberventil.
In diesem Fall kann ein Wegsensor vorgesehen sein, der die Position
des Schiebers des zweiten Ventils erfasst und ein entsprechendes Positionssignal
an die Steuereinheit übermittelt.
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Zweckmäßigerweise
kann die Druckquelle von einer Pumpe gebildet sein, die ein Hydraulikmedium
aus einem Reservoir fördert
und die Ventilbaugruppe mit dem Hydraulikmedium beaufschlagt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist ein Sicherheitsventil vorgesehen, das bei einer
Störung
einen hydraulischen Kurzschluss zwischen den Zylinderkammern des
Arbeitszylinders herstellt. Das Sicherheitsventil kann ein elektromagnetisches
Ventil sein, das mit einer mechanischen Feder in die Stellung des
hydraulischen Kurzschlusses vorgespannt ist.
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Bei
einer zweckmäßigen Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
sind mindestens drei Drucksensoren vorgesehen, von denen im Normalbetrieb
immer zwei denselben Druck messen. Diese Konfiguration hat den Vorteil,
dass bestimmte Betriebsstörungen
schnell und einfach festgestellt werden, wenn nicht zwei der Drucksensoren
denselben Druck anzeigen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb
einer Fahrzeuglenkung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer hydraulischen Fahrzeuglenkung
gelöst,
das die folgenden Schritte umfasst:
– Wahlweise die Zylinderkammern
eines Arbeitszylinders mit hydraulischem Druckmedium beaufschlagen;
– ein Sicherheitsventil
gegen die Kraft einer mechanischen Feder geschlossen halten, wenn
von dem Arbeitszylinder eine Lenkkraft angefordert wird; und
– das Sicherheitsventil öffnen, wenn
von dem Arbeitszylinder keine Lenkkraft angefordert wird oder wenn
eine Störung
festgestellt wird.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende
Teile sind hierbei mit demselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1:
Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung;
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2a:
einen hydraulischen Schaltplan einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung;
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2b:
einen hydraulischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung;
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2c:
einen hydraulischen Schaltplan einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung;
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3a:
eine konkrete Ausgestaltung der dritten Ausführungsform der Fahrzeuglenkung
aus 2c;
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3b:
eine weitere konkrete Ausgestaltung der dritten Ausführungsform
der Fahrzeuglenkung aus 2c; und
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3c:
eine dritte konkrete Ausgestaltung der dritten Ausführungsform
aus 2c.
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Das
in 1 dargestellte Lenksystem besteht aus einem Lenkrad 1 und
einer mit dem Lenkrad 1 verbundenen Lenksäule 2,
die zwei Kreuzgelenke 3, 4 umfasst. Die Lenksäule 2 ist
mit einer Lenkradwelle 5 verbunden oder bildet ein Teil
der Lenkradwelle 5. Die Lenkradwelle 5 treibt
ein Lenkradgetriebe 6 an, welches die Drehbewegung der Lenkradwelle 5 in
eine translatorische Bewegung einer Lenkstange 7 umwandelt.
Die Lenkstange 7 ist in 1 als Zahnstange 7 ausgebildet,
welche die an der Lenkstange angeordneten Spurstangen 8, 9 betätigt. Die
Betätigung der
Spurstangen 8, 9 bewirkt ein Verschwenken von
Rädern 10, 11,
um die Fahrtrichtung des Fahrzeuges zu steuern. Bei der hier gezeigten
Zahnstangenlenkung wird eine hydraulische Unterstützung mittels
einer von dem Antriebsmotor des Fahrzeugs angetriebene hydraulische
Pumpe 12 realisiert. Die Pumpe 12 wird bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel über einen
Riemenantrieb 13 angetrieben. Selbstverständlich sind
aber für
die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung auch alle anderen
geeigneten Antriebsmittel denkbar, die im Stand der Technik bekannt
sind. Die hydraulische Pumpe 12 erzeugt in einer Hydraulikflüssigkeit Druck,
die über
eine Leitung 14 einem Richtungsventil 15 zugeführt wird. Über eine
Rücklaufleitung 16 kann
die Druckflüssigkeit
in einen Vorratsbehälter 17 zurückströmen. Das
Richtungsventil 15 ist über
zwei Hydraulikleitungen 18a, 18b mit einem hydraulischen Arbeitszylinder 19 verbunden.
Der Arbeitszylinder 19 wird von einem Kolben 20 in
zwei Zylinderkammern 21, 22 aufgeteilt.
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Der
Kolben 20 sitzt fest auf der Lenkstange 7, so
dass der Kolben 20 unmittelbar auf die Lenkstange 7 Kraft
ausüben
kann, wenn eine der beiden Zylinderkammern 21, 22 mit
einem Überdruck
beaufschlagt wird.
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Zwischen
dem zweiten Kreuzgelenk 4 und dem Lenkgetriebe 6 sind
ein Torsionsstab 23, ein Momentensensor 24 und
ein Winkelsensor 25 angeordnet. Der Winkelsensor 25 misst
den von einem Fahrer mit dem Lenkrad 1 vorgegebenen Drehwinkel
und gibt ein diesen Drehwinkel repräsentierendes Ausgangssignal 6 ab.
Das Ausgangssignal 6 wird über einen Fahrzeugbus (CAN) 27 übertragen
und an eine zentrale Steuereinheit (ECU) 28 abgegeben.
Der Fahrzeugbus überträgt das Ausgangssignal 6 zum Beispiel
auch an eine Fahrstabilitätsregelung,
die in 1 nicht dargestellt ist und nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist. Der Momentensensor 24 misst das von dem
Fahrer ausgeübte
Drehmoment und gibt ein das Drehmoment repräsentierende Ausgangssignal
M an die Steuereinheit 28 ab.
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Schließlich empfängt die
Steuerelektronik 28 auch ein die Batteriespannung repräsentierendes
Signal UBat, um gegebenenfalls eine Störungsmeldung auslenken
zu können,
das heißt,
die Batteriespannung unter einen Schwellenwert absinkt und die einwandfreie
Funktion der Fahrzeuglenkung nicht mehr gewährleistet ist. Eine Störungsmeldung
bewirkt, dass das Sicherheitsventil 33 abgeschaltet und
zwischen den Zylinderkammern 21, 22 ein hydraulischer Kurzschluss
hergestellt wird, der die hydraulische Lenkunterstützung außer Funktion
setzt.
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Von
der Steuereinheit 28 führt
eine Steuerleitung 29 zu dem Richtungsventil 15,
um die Richtung der Lenkunterstützung
festzulegen, das heißt
welche der beiden Zylinderkammern 21, 22 mit dem
Druckmittel beaufschlagt wird. Darüber hinaus legt ein in 1 nicht
dargestelltes Schieberventil 45 (2) die
Höhe des
Arbeitsdruckes fest, das heißt
wie groß die
Lenkunterstützung
ist. Die Position des Schiebers in dem Richtungsventil 15 wird
mit einem Wegaufnehmer 31 gemessen, dessen Ausgangssignal
zu der Steuereinheit 28 zurückgeführt wird, um einen Regelkreis
zu schließen.
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Eine
zweite Steuerleitung 32 verbindet die Steuereinheit 28 mit
einem Sicherheitsventil 33. Bei einem Systemausfall stellt
das Sicherheitsventil 33 einen hydraulischen Kurzschluss
zwischen den beiden Zylinderkammern 21, 22 des
Arbeitszylinders 19 her. Dadurch ist gewährleistet,
dass das Fahrzeug wegen der mechanischen Kopplung zwischen dem Lenkrad 1 und
der Lenkstange 7 lenkbar bleibt. Der hydraulische Kurzschluss
zwischen den Zylinderkammern 21, 22 stellt sicher,
dass der Kolben 20 und damit die Lenkstange verschiebbar
ist.
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Das
Sicherheitsventil 33 ist so ausgebildet, dass es mit einer
mechanischen Feder 34 in die in 1 dargestellte
Kurzschlussstellung vorgespannt ist. Ein Elektromagnet 35 arbeitet
gegen den Federdruck und verschließt das Sicherheitsventil 33,
wenn ein entsprechender Strom durch die Wicklung des Elektromagneten
fließt.
Wenn die Steuereinheit 28 den Strom abschaltet oder wenn
der Strom ausfällt, dann
stellt sich das Sicherheitsventil 33 automatisch wieder
in die Kurzschlussstellung zurück,
womit die Lenkbarkeit des Fahrzeuges garantiert ist.
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Die
Baugruppe, welche die Höhe
und die Richtung des Arbeitsdruckes regelt, einschließlich des
Sicherheitsventils 33, wird kurz auch als Ventilbaugruppe 30 bezeichnet
und ist in 1 mit einer gestrichelten Linie
eingezeichnet.
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In 2a ist
ein hydraulischer Schaltplan der in 1 veranschaulichten
Fahrzeuglenkung dargestellt. Die Pumpe 12 saugt aus dem
Reservoir 17 Hydraulikflüssigkeit an und fördert sie
mit erhöhtem Druck
durch die Leitung 14 zu dem Richtungsventil 15.
Das Richtungsventil 15 in 2a ist
ein Magnetventil mit zwei beidseitig angeordneten Hubmagneten 40a, 40b,
die gegen zwei ebenfalls beidseitig angeordnete Federn 41a, 41b arbeiten.
Das Richtungsventil 15 ist somit federzentriert. Wenn beide
Magnete 40a, 40b stromlos geschaltet sind, nimmt
der Schieber des Richtungsventil 15 (Richtungsschieber) die
in 2a dargestellte Mittelstellung ein, in der die vier
Anschlüsse
des Ventils paarweise hydraulisch kurzgeschlossen sind. Wird einer
der beiden Hubmagnete aktiviert, werden die Anschlüsse des
Ventils 15 direkt beziehungsweise über kreuz durchgeschaltet. Die
Stellung des Schiebers wird mit einem Wegsensor 31 überwacht,
dessen Ausgangssignal an die Steuereinheit 28 übertragen
wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Wegsensor 31 durch einen Wegschalter ersetzt sein,
der die Stellung des Richtungsschiebers überwacht.
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Die
hydraulischen Leitungen 18a und 18b verbinden
zwei der Anschlüsse
des Richtungsventils 15 mit der linken beziehungsweise
rechten Zylinderkammer 21, 22 des Arbeitszylinders 19.
Zwischen den Zylinderkammern 21, 22 und dem Richtungsventil 15 ist
das Sicherheitsventil 33 angeordnet, dessen Funktionsweise
bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert worden
ist.
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Die
Höhe des
Druckes in der Druckleitung 14 wird mit einem Drucksensor 43 gemessen.
Darüber hinaus
ist in den beiden Zuleitungen 18a, 18b zu den beiden
Zylinderkammern 21, 22 jeweils ein Drucksensor 44a, 44b angeordnet.
Die dargestellte Anordnung der drei Drucksensoren 43, 44a und 44b ermöglicht eine
wirksame Überwachung
der einwandfreien Funktion der Ventile 15 und 33.
Bei einer einwandfreien Funktion der Ventile 15, 33 messen
stets zwei der drei Drucksensoren denselben Druck: Wenn die Zylinderkammer 21 mit
Druck beaufschlagt wird, messen die Drucksensoren 43 und 44a denselben Druck.
Der mit der entlüfteten
Zylinderkammer 22 verbundene Drucksensor 44b misst
dementsprechend einen niedrigeren Druck. Wenn hingegen die Zylinderkammer 22 mit
Druck beaufschlagt wird, messen die Drucksensoren 43 und 44b denselben Druck.
Der mit der dann entlüfteten
Zylinderkammer 21 verbundene Drucksensor 44a misst
dementsprechend einen niedrigeren Druck. Die Ausgangssignal der
Drucksensoren 43, 44a und 44b werden
an die Steuereinheit 28 übertragen, wo sie ausgewertet werden.
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Von
diesem Schema abweichende Messwerte werden von der Steuereinheit 28 als
Störung bewertet.
Eine mögliche
Reaktion auf die Störung
ist die Abschaltung der hydraulischen Lenkunterstützung, indem
das Sicherheitsventil 33 die Leitungen 18a, 18b kurzschließt. Der
Kurzschluss macht den Hydraulikzylinder 19 unwirksam, wie
es im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist. Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Druckmessungen wiederholt
werden, bevor eine Bewertung der Messergebnisse erfolgt.
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Die
Höhe des
Druckes wird mit einem Schieberventil 45 eingestellt. Das
Schieberventil wird von einem analogisierten Magnetventil 46 vorgesteuert, das
heißt,
der Schieber des Ventils 45 wird hydraulisch betätigt, wobei
der Betätigungsdruck
von dem Magnetventil 46 eingestellt wird. Dabei wird das Druckgefälle zwischen
der Zuleitung 14 und der Rückleitung 16 für das Hydraulikfluid
ausgenutzt. In den Verbindungsleitungen zwischen den Ventilen 45 und 46 sind
eine Strömungsbegrenzung 47 und
Filter 48 angeordnet, um zum Beispiel Drucksprünge zu vermeiden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
wird das Schieberventil 45 mit einem Magnet angesteuert. Auch
diese Ausführungsform
ermöglicht
ebenso wie das hydraulisch vorgesteuerte Ventil 45 eine
kontinuierliche Veränderung
der Ventilschieberstellung, um eine kontinuierliche Veränderung
des Arbeitsdruckes zu ermöglichen.
In der Rücklaufleitung 16 ist
ebenfalls ein Strömungsfilter 49 angeordnet,
mit dem ein Druckbegrenzungsventil 51 als Bypass-Ventil
parallel geschaltet ist.
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In 2b ist
ein Hydraulikschaltplan einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
dargestellt. Der Unterschied gegenüber der in 2a veranschau lichten Ausführungsform
liegt in der Ausgestaltung des Richtungsventils 15. Bei
der Ausführungsform
nach 2b weist das Richtungsventil einen einseitig angeordneten
Hubmagneten 40 auf, der gegen eine Feder 41 arbeitet.
Das Richtungsventil 15 in 2b hat jedoch
ebenso wie das Richtungsventil 15 in 2a eine
Mittelstellung, in der ein Kurzschluss zwischen den beiden Zylinderkammern 21, 22 des
Arbeitszylinders 19 hergestellt wird, wenn das Richtungsventil die
Wirkrichtung des Arbeitszylinders 19 umschaltet. Gegenüber der
in 2a dargestellten Ausführungsform muss für das Richtungsventil 15 in 2b nur ein
einziger Anschlussstecker für
den Hubmagneten vorgesehen werden, was einen Kostenvorteil bringt.
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In 2c ist
der hydraulische Schaltplan einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
gezeigt. Wie bei der Ausführungsform
nach 2b weist das Richtungsventil 15 nur einen
einzigen Hubmagneten 40 auf, der gegen eine Feder 41 arbeitet.
Im Unterschied zu der Ausführungsform
nach 2b wird der hydraulische Kurzschluss beim Umschalten
des Richtungsventils jedoch nicht mit einer separaten Schaltstellung
erreicht. Vielmehr sind bei dem Richtungsventil 15 nach 2c die
Steuerkanten an dem Schieber schmaler als der Durchmesser der Zuführbohrungen der
Hülse,
so dass bei dem Wechsel des Schiebers von der einen Stellung in
die andere Stellung kurzzeitig der gewünschte hydraulische Kurzschluss
zwischen den Zylinderkammern 21 und 22 des Arbeitszylinders 19 entsteht.
Das in 2c dargestellte Richtungsventil
ist weniger aufwendig als die in den 2a und 2b dargestellten
Richtungsventile.
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Die
in 2c dargestellte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft,
weil der Richtungsschieber keine separate Mittelstellung besitzt
und deshalb sehr einfach und kurz ausgebildet werden kann. Allerdings
würde sich
in der Vorzugsrichtung, das heißt, wenn
der Schaltmagnet unbestromt ist, durch den unvermeidlichen Staudruck
am Druckregelventil eine ungewollte Kraft am Arbeitszylinder 19 einstellen,
solange das Sicherheitsventil 33 geschaltet ist. Deshalb wird
bei dieser Ausführungsform
das Sicherheitsventil 33 immer abgeschaltet, wenn keine
Lenkunterstützung
benötigt
wird. Diese Betriebsart weist sich auch positiv auf den Wärmehaushalt
der Elektronik aus. Das dementsprechende Betriebsverfahren stellt
den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
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In 3a ist
eine konkrete Ausführungsform für den in 2c gezeigten
hydraulischen Schaltplan gezeigt. Bei der in 3a dargestellten
Ausführungsform
weist das Sicherheitsventil 33 eine Hülse 56 mit sechs Stufen 57 auf.
Das Sicherheitsventil 33 weist weiterhin einen hohlgebohrten
Kolben 58 ohne Querbohrungen auf. Ein separater Reservoiranschluss 59 sorgt
für den
Druckausgleich in dem Sicherheitsventil 33. Das Sicherheitsventil
ist nicht miniclinchtauglich.
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Das
Richtungsventil 15 weist eine Düse 61 mit fünf Stufen 62 auf
sowie einen als Vollkörper
ausgebildeten Kolben 63. Das Richtungsventil 15 ist
miniclinchtauglich.
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In 3b ist
eine weiteren konkrete Ausgestaltung für den in 2c gezeigten
hydraulischen Schaltplan gezeigt. Bei dieser Ausführungsform weist
das Sicherheitsventil 33 eine Hülse 66 mit fünf Stufen 67 auf.
Das Sicherheitsventil 33 ist in diesem Fall mit einem hohlgebohrten
Kolben 68 mit Querbohrungen versehen. Allerdings ist kein
Druckausgleich durch separate Reservoiranschlüsse vorgesehen.
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Das
Richtungsventil 15 weist eine Hülse 71 mit vier Stufen 72 auf
sowie einen hohlgebohrten Kolben 73, der mit Querbohrungen
versehen ist. Das Richtungsventil 15 ist miniclinchtauglich.
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Schließlich ist
in 3c eine letzte konkrete Ausführungsform für den in 2c gezeigten
hydraulischen Schaltplan dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
sind das Richtungsventil 15 und das Sicherheitsventil 33 so
ausgebildet, dass Hülsen
und Kolben jeweils als Gleichteile ausgeführt sind. Insbesondere sind
die Hülsen
mit fünf
Stufen versehen. Die Kolben sind hohlgebohrt und weisen Querbohrungen
auf. Beide Ventile 15, 33 sind miniclinchtauglich.
Für das
Sicherheitsventil 33 ist kein Druckausgleich durch separate
Reservoiranschlüsse
vorgesehen.