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Die
Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Fahrzeuglenkung für Kraftfahrzeuge.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fahrzeuglenkung für Kraftfahrzeuge
nach Anspruch 1.
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In
modernen Kraftfahrzeugen mit geringen Vorderachslasten, die entsprechend
geringe Steuerkräfte
der Fahrzeuglenkung erfordern, werden konventionelle hydraulische
Servolenkungen zunehmend durch elektromechanische Lenksysteme (EPAS,
englisch: "electric
power assisted steering") ersetzt.
Bei diesen elektromechanischen Lenksystemen wird die den Fahrer
unterstützende
Lenkkraft mit Hilfe eines Elektromotors erzeugt. Der elektromotorische
Hilfsantrieb ermöglicht
es, dass sich die Lenkungssteuerung selbsttätig an die jeweilige Fahrsituation
anpasst. Konkret bedeutet das, dass das Lenkverhalten hinsichtlich
des Lenkgefühls
und der Höhe der
Lenkunterstützungskraft
für den
Fahrer auf einer Autobahnfahrt ganz anders ist als zum Beispiel
im innerstädtischen
Verkehr, wo die Ge schwindigkeiten viel geringer und die Lenkeinschläge viel
größer sind als
auf der Autobahn. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Fremdeingriffe durch
sogenannte Fahrerassistenzfunktionen wie zum Beispiel einen Einparkassistent
oder Spurhalteassistenten zu verwirklichen, indem der elektromotorische
Hilfsantrieb von den jeweiligen Fahrassistenzsystemen angesteuert
wird.
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Das
elektromechanische Lenksystem zeichnet sich durch ein annähernd lineares Übertragungsverhalten
des stromgeregelten Antriebsmotors aus, das heißt der Motorstrom und die erzeugte
Lenkunterstützungskraft
zeigen annähernd
proportionales Verhalten. Hierdurch ist es möglich, ein sehr robustes Reglerverhalten
der Lenkunterstützung
zu realisieren.
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Bei
Fahrzeugen mit höheren
Vorderachslasten, bei denen größere Zahnstangenkräfte für die Fahrzeuglenkung
notwendig sind, ist eine entsprechend hohe Stellleistung für die Lenkunterstützung notwendig.
Bei einer standardmäßigen Bordnetzspannung
von 12 Volt sind die dann für
den elektromotorischen Hilfsantrieb einer elektromechanischen Lenkung
benötigten
Stromstärken
so hoch, dass sie im Automobil praktisch nicht mehr gehandhabt werden
können.
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Hieraus
folgt, dass es bei Fahrzeugen mit höheren Vorderachslasten besser
ist, die Hilfsenergie zur Lenkunterstützung über eine von dem Verbrennungsmotor
des Fahrzeuges angetriebene Lenkhilfepumpe als hydraulische Energie
bereitzustellen. Hydraulische Lenkunterstützungen erzeugen Lenkunterstützungskräfte mittels
eines hydraulischen Lenkunterstützungsdruckes.
Der Lenkunterstützungsdruck
wird über
ein Schieberventil geregelt. Allerdings hängt die Höhe des Lenkunterstützungsdruckes
nicht linear von dem Verstellweg eines Steuerschiebers des Schieberventils
ab. In diesem Fall sagt man auch, dass die Regelung eine nicht-lineare Charakteristik
zeigt. Die Regelung der Lenkunterstützung wird durch dieses Verhalten
zumindest erschwert.
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Hiervon
ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hydraulische
Fahrzeuglenkung zu schaffen, die diesen Nachteil vermeidet und eine
adaptierbare Lenkcharakteristik aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Fahrzeuglenkung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Fahrzeuglenkung
für Kraftfahrzeuge
umfasst eine vom Fahrer betätigbare Lenkhandhabe,
die mit lenkbaren Fahrzeugrädern wirkungsmäßig verbunden
ist, um eine Fahrtrichtung vorzugeben, sowie einen hydraulischen
Arbeitszylinder, der zwei Zylinderkammern aufweist. Weiterhin ist eine
hydraulische Druckquelle vorgesehen, die ein als Schieberventil
ausgebildetes Lenkventil mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt.
Das Lenkventil steuert die Höhe
des an die Zylinderkammern des Arbeitszylinders weitergeleiteten
hydraulischen Druckes, wobei ein Differenzdruck die Wirkrichtung und
Höhe der
Lenkunterstützung
bestimmt. Das Lenkventil ist ein Schieberventil und weist einen Steuersatz
auf, der eine Steuerhülse
und einen Steuerschieber umfasst. Die Steuerhülse ist mit mindestens einem
Steuerfenster versehen, wobei der Differenzdruck in einem nicht-linearen
Zusammenhang von der freien Querschnittsfläche des Steuerfensters abhängt, die
durch eine Verstellung des Steuerschiebers veränderbar ist. Der Rand des Steuerfensters
ist so gestaltet, dass sich die freie Querschnittsfläche des
Steuerfensters in der Weise verändert,
dass die Höhe
des Differenzdruckes im wesentlichen linear von der Verstellung
des Steuerschiebers abhängt.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Steuerfenster vorgesehen.
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Bei
einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
ist die Verstellung des Steuerschiebers eine translatorische Verschiebung.
Vorteilhafterweise kann ein Antrieb zur Verstellung des Steuerschiebers
vorgesehen sein.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausführungsform ist
der Antrieb ein elektromagnetischer oder ein elektromotorischer
Aktuator. Der elektromotorische Aktuator kann antriebsmäßig mit
einem Getriebe gekoppelt sein, das eine Rotationsbewegung in eine
Translationsbewegung umwandelt.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
veranschaulicht. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind
hierbei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Von
den Figuren zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung;
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2a eine
schematische Darstellung eines Linearschieberventils mit Fremdansteuerung;
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2b ein
Prinzipschaltbild einer hydraulischen Vollbrücke sowie die das Druckverhalten
bestimmende Blen dengleichung;
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3a ein
rundes Steuerfenster in einer Steuerhülse;
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3b den
Unterstützungsdruck
als Funktion des Verstellweges des Steuerschiebers bei einem Steuerfenster
mit kreisförmiger
Querschnittsfläche sowie
den linearisierten Verlauf des Unterstützungsdrucks
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4a die
Flächenänderung
bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten
Steuerfenster in Abhängigkeit
von dem Verschiebeweg im Vergleich zu einer linearen Flächenänderung
des Steuerfensters und
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4b die
Gestalt eines Steuerfensters in dem Schieberventil der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung.
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In 1 ist
eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
gezeigt. In 1 sind neben dem schematischen
apparativen Aufbau der Fahrzeuglenkung auch die Sensorinformationen
dargestellt, die erforderlich sind, um die Funktionen der erfindungsgemäßen Fahrzeuglenkung
zu realisieren.
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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.
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Bei
der hier gezeigten Zahnstangenlenkung wird eine hydraulische Unterstützung mittels
einer von dem Antriebsmotor des Fahrzeugs angetriebenen hydraulischen
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.
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Die
hydraulische Pumpe 12 erzeugt in einer Hydraulikflüssigkeit
oder einem Hydraulikfluid Druck, die oder das über eine Leitung 14 einem
Lenkventil 15 zugeführt
wird. Über
eine Rücklaufleitung 16 kann die
Druckflüssigkeit
in einen Vorratsbehälter 17 zurückströmen. Das
Lenkventil 15 ist über
zwei Hydraulikleitungen 18a, 18b mit einem Hydraulikzylinder 19 verbunden.
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Der
Hydraulikzylinder 19 wird von einem Kolben 20 in
zwei Zylinderkammern 21, 22 aufgeteilt. Der Kolben 20 sitzt
fest auf der Lenkstange 7, so dass der Kolben 20 unmittelbar
auf die Lenkstange 7 Kraft ausüben kann, wenn die beiden Zylinderkammern 21, 22 mit
unterschiedlichen Drücken
beaufschlagt werden.
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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.
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Der
Winkelsensor 25 misst den von einem Fahrer mit dem Lenkrad 1 vorgegebenen
Drehwinkel und gibt ein diesen Drehwinkel repräsentierendes Ausgangssignal δdriver ab.
Das Ausgangssignal δdriver wird an eine zentrale Steuereinheit
(ECU) 28 übertragen.
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Der
Momentensensor 24 misst das von dem Fahrer ausgeübte Drehmoment
und gibt ein das Drehmoment repräsentierende
Ausgangssignal Mdrv an die Steuereinheit 28 ab.
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Von
der Steuereinheit 28 führt
eine Steuerleitung 29 zu dem Lenkventil 15, um
mittels eines Steuerschiebers die Richtung und Höhe der Lenkunterstützung festzulegen,
das heißt
welche der beiden Zylinderkammern 21, 22 mit dem
Hydraulikfluid beaufschlagt wird. Die Position des Schiebers in
dem Lenkventil 15 wird mit einem Wegaufnehmer 31 gemessen,
dessen Ausgangssignal zu der Steuereinheit 28 zurückgeführt wird,
um einen Regelkreis zu schließen.
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Bei
einem Systemausfall stellt das Lenkventil 15 einen hydraulischen
Kurzschluss zwischen den beiden Zylinderkammern 21, 22 des
Arbeitszylinders 19 her. Das Lenkventil 15 ist
so ausgebildet, dass es mit einer mechanischen Feder 32 in
die in 1 dargestellte Kurzschlussstellung vorgespannt
ist. 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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Mit
den Zylinderkammern 21, 22 steht jeweils ein Drucksensor 33a, 33b strömungsmäßig in Verbindung,
um den jeweiligen Arbeitsdruck in den Zylinderkammern zu messen,
der auch als Ak tuatordruck bezeichnet wird. Der jeweilige Druck
in der linken bzw. rechten Zylinderkammer wird mit pAK,LI bzw. pAK,RE in 1 bezeichnet.
Die Ausgangssignale der Drucksensoren 33a, 33b werden über Signalleitungen 34a, 34b der
Steuereinheit 28 als Eingangssignale zugeführt.
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Ein
weiteres Eingangssignal empfängt
die Steuereinheit 28 von einem Fahrzeugbus CAN. Dieses
Signal kann zum Beispiel von einem Fahrerassistenzsystem stammen.
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Schließlich empfängt die
Steuerelektronik 28 auch ein die Batteriespannung repräsentierendes
Signal Ubat, um gegebenenfalls eine Störungsmeldung auslösen zu können, wenn
die Batteriespannung Ubat unter einen bestimmten
Schwellenwert absinkt und die einwandfreie Funktion der Fahrzeuglenkung
nicht mehr gewährleistet
ist. Eine Störungsmeldung
bewirkt, dass das Lenkventil 15 zwischen den Zylinderkammern 21, 22 einen
hydraulischen Kurzschluss herstellt, der die hydraulische Lenkunterstützung außer Funktion
setzt.
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Bei
dem Lenkventil 15 handelt es sich um eine hydraulische
Vollbrücke
mit „Open
Center", was bedeutet,
dass in der Geradeausstellung der Fahrzeuglenkung ein Ölstrom durch
das Lenkventil fließt. Das
Lenkventil 15 wird über
einen Stellmotor 36 und ein Rotationstranslationsgetriebe 37 angetrieben,
um die Drehbewegung des Stellmotors 36 in eine Translationsbewegung
zur Steuerung des Lenkventils 15 umzuwandeln. Bei einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird das Lenkventil 15 über einen elektromagnetischen
Antrieb (nicht dargestellt) angetrieben.
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Das
Lenkventil 15 ist in 2a in
einer perspektivischen und teilweise aufgeschnittenen Darstellung
in größerer Ein zelheit
gezeigt. Das Lenkventil 15 weist eine Steuerhülse 41 auf,
in welcher ein Steuerschieber 42 translatorisch verschiebbar
ist. Die Steuerhülse 41 umfasst
zwei Anschlüsse
T, die eine drucklose Strömungsverbindung
zu dem Reservoir 17 mit Hydraulikfluid herstellen. Weiterhin
weist die Steuerhülse 41 einen
Anschluss P auf, an dem die von der Pumpe 12 kommende Druckleitung 14 angeschlossen
ist. Schließlich
sind zwei Anschlüsse
A und B vorgesehen, die eine Verbindung zu der in 1 rechten
bzw. linken Zylinderkammer 21, 22 schaffen. Die
Steuerhülse
ist in 2a mit einer Anzahl von runden
Steuerfenstern dargestellt, deren freie Querschnittsfläche durch
eine Verschiebung des Steuerschiebers 42 vermindert wird.
Bei der in 2a gewählten Darstellung erfolgt die
Verschiebung des Steuerschiebers 42 in Richtung des Doppelpfeils Δx.
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Das
Lenkventil 15 bildet eine hydraulische Vollbrücke, bei
der vierhydraulische Einzelwiderstände R1 bis R4 verändert werden,
um einen Differenzdruck zwischen den Anschlüssen A und B einzustellen.
Dadurch werden in den Arbeitskammern 21, 22 des
Lenkzylinders 19 unterschiedliche hydraulische Drücke erzeugt.
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Das
Blockschaltbild der hydraulischen Vollbrücke ist in 2b gezeigt.
Eine Verschiebung des Steuerschiebers 42 in der Steuerhülse 41 bewirkt
die erwähnte
Veränderung
der Einzelwiderstände
R1 bis R4 aufgrund einer durch die Verschiebung hervorgerufenen
Veränderung
der freien Querschnittsflächen A1, A2, A3,
A4 der Steuerfenster.
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Der
Kolben 20 in dem Lenkzylinder wird mit einem Differenzdruck
beaufschlagt und übt
eine entsprechende Kraft auf die Zahnstange 7 aus, wodurch die
gewünschte
Lenkunterstützung erzeugt
wird. Durch die von dem aus Stellmotor 36 und Rotationstranslationsgetriebe 37 bestehenden
Antrieb hervorgerufene Verschiebung des Steuerschiebers 42 des Lenkventils 15 kann
somit der Differenzdruck in dem Lenkzylinder 19 gesteuert
werden. Außerdem
ist es mittels der beiden Drucksensoren 33a, 33b und
der zentralen elektronischen Steuereinheit 28 möglich, den
Differenzdruck auf einen zuvor bestimmten Sollwert einzuregeln.
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Die
Abhängigkeit
des Differenzdruckes als Funktion des von dem Steuerschieber zurückgelegten
Weges wird durch die so genannte Blendengleichung beschrieben:
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In
der Gleichung bedeutet:
- QLp:
- Volumenstrom (Volumen
pro Zeit)
- ABl:
- freie Querschnittsfläche der
Blende
- nSb:
- Anzahl der Steuerbohrungen
(Blenden)
- αBl:
- Durchflusszahl (das
ist eine bestimmte Konstante der Blende)
- ρHydr:
- Dichte der Hydraulikflüssigkeit
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Bei
der Erfindung wird ein konstanter Volumenstrom aufgeprägt, d.h.
QLp = const. Ausschließlich die Querschnittsfläche ABl der Blende hängt vom Verschiebeweg x ab.
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In 3b ist
der Verlauf der Druckverstärkungsfunktion
bei einem Steuerfenster mit kreisförmiger Querschnittsfläche anhand
der Kurve p1 veranschaulicht. Wie ersichtlich
ist, werden bei kleinen Verschiebewegen um eine Neutralstellung
herum nur relativ geringe Druckänderungen,
im Endbereich des Steu erschiebeweges jedoch relative große Druckänderungen
erzeugt. Da die Lenkunterstützung
für die Fahrzeuglenkung
durch die Druckverstärkungsfunktion
bestimmt wird, stellt dieser Sachverhalt sehr hohe Anforderungen
an die Struktur des Druckreglers, um die beschriebene Nichtlinearität zu berücksichtigen. Teilweise
ist es sogar erforderlich, die Dynamik der Regelung einzuschränken, damit
die Stabilität
der Regelung gewährleistet
ist.
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Im
Hinblick auf eine einfache Reglerstruktur und hohe Stabilität der Regelung
wäre ein
annähernd linearer
Zusammenhang zwischen dem erzeugten Differenzdruck und dem Steuerschieberweg
günstig. Ein
entsprechender Verlauf der Druckverstärkungsfunktion ist in 3b beispielhaft
anhand der Kurve p2 dargestellt.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel durch eine nicht-lineare Änderung
der freien Querschnittsflächen
der Steuerfenster in dem Schieberventil ein annähernd lineares Verhalten der
Druckverstärkungsfunktion
gemäß der Blendengleichung
zu erreichen. Das lineare Verhalten kommt der geforderten Dynamik
und Robustheit des Druckreglers entgegen.
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Gemäß der Erfindung
wird nun der Verlauf der Flächenänderung
der Durchlassöffnung
als Funktion des Steuerschieberweges x bestimmt. Zu diesem Zweck
wird eine gewünschte
annähernd
lineare Druckverstärkungsfunktion,
wie sie anhand der Kurve p2 veranschaulicht
ist, vorgegeben. Mit Hilfe der Blendengleichung wird aus der Druckverstärkungsfunktion
der zugehörige
Flächenverlauf
der freien Querschnittsfläche
ABl bestimmt, die in 4a ebenso
wie in der Blendengleichung mit ABl bezeichnet
ist. Die anderen Größen der
Blendengleichung werden hierbei als bekannt vorausgesetzt. Da auch der
Steuer schieberweg x bekannt ist, kann die zugehörige Breite eines Steuerfensters 43 durch
Differentiation des zuvor bestimmten Flächenverlaufs berechnet werden.
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In 4a ist
der Betrag der erforderlichen nicht-linearen Flächenänderung dABl/dx
der freien Querschnittsfläche
der Steuerfenster bzw. des sich bei einer Verschiebung des Steuerschiebers
verringernden Anteils der freien Querschnittsfläche anhand des Graphen G1 in Abhängigkeit
von dem Verschiebeweg x dargestellt. Die schraffierte Fläche unter
dem Graphen G1 entspricht dem Flächeninhalt
der freien Querschnittsfläche
ABl des Steuerfensters bzw. ihres genannten
Anteils. Zum Vergleich ist in 4a anhand
des Graphen G2 zudem der Betrag einer linear
vom Verschiebeweg x abhängige
Flächenänderung
dargestellt, wie sie näherungsweise
bei einem runden Steuerfenster besteht und die zu dem unerwünschten
nicht-linearen Verlauf der Druckverstärkungsfunktion führt.
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Bei
der berechneten Breite des Steuerfensters 43 wird schließlich noch
berücksichtigt,
dass sich das Steuerfenster 43 in der gekrümmten Oberfläche der
Steuerhülse 42 befindet,
woraus schlussendlich ein Konturverlauf 44 folgt, wie er
in 4b gezeigt ist.
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Bei
einem konkreten Ausführungsbeispiel wird
die linearisierte Druckverstärkungsfunktion
beziehungsweise der zugehörige
Flächenverlauf
mit mehreren parallel angeordneten Steuerfenstern 43 erzeugt.
Das gewünschte
lineare Verhalten der Druckverstärkungsfunktion
wird somit durch eine entsprechende Gestaltung des Konturverlaufes 44 der Steuerfenster 43 erreicht.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf den im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel
dargestellten Konturverlauf 44 be schränkt. Vielmehr schließt die Erfindung
auch jeden anderen Konturverlauf ein, der eine Linearisierung der
Druckverstärkungsfunktion
gestattet.
