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Die
Erfindung betrifft ein Drehschieberventil, insbesondere für eine hydraulische
Fahrzeugservolenkung.
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Eine
Fahrzeugservolenkung wird benutzt, um das an einem Lenkrad aufzubringende
Lenkmoment zu reduzieren. In Abhängigkeit
vom Lenkeinschlag wird über
ein auf einer Lenkwelle angeordnetes Drehschieberventil von einer
Pumpe Drucköl
in eine linke oder rechte Kammer eines Arbeitszylinders beaufschlagt.
Eine im Arbeitszylinder angeordnete Kolbenstange, die mit einer
Spurstange verbunden ist, wird von dem Drucköl nach links oder rechts beaufschlagt.
Der Flüssigkeitsdruck
erzeugt eine hydraulische Unterstützungskraft.
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Das
Drehschieberventil besteht aus einer Welle und einer Hülse, die
auf ihren einander zugewandten Mantelflächen Steuernuten haben. Die
Nuten der Hülse
münden
in Hydraulikleitungen, die zu den Kammern des Arbeitszylinders führen.
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Mittels
der Steuernuten wird der aus dem Drehschieberventil gelangende Öldruck eingestellt und
variiert. Im Stand der Technik werden die Steuernuten hergestellt,
indem sie in die Hülse
bzw. Welle eingefräst
werden. Das Einfräsen
der Steuernuten in die relativ lange Welle bzw. Hülse ist
dabei aufwendig, insbesondere da sich Steuernuten mit einer gewellten
Kontur als besonders günstig
herausgestellt haben.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Drehschieberventil bereitzustellen,
das einfach in der Herstellung und somit kostengünstig ist.
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Zu
diesem Zweck sieht die Erfindung ein Drehschieberventil vor, mit
einem ersten und einem zweiten Ventilelement, die allgemein hülsenförmig und
relativ zueinander um eine gemeinsame Mittelachse verdrehbar sind,
um einen Fluidstrom zu steuern, insbesondere für eine hydraulische Fahrzeugservolenkung,
wobei mindestens eines der Ventilelemente einen Ventileinsatz und
ein Trägerteil
aufweist, an dem der Ventileinsatz angebracht ist. Bei einem Drehschieberventil,
das insbesondere bei einer hydraulischen Fahrzeugservolenkung verwendet
wird, ist das erste Ventilelement, beispielsweise eine Welle, die
mit einer Lenkwelle eines Fahrzeugs verbunden ist. Das zweite Ventilelement
ist dann eine Hülse, die
mit einem Ritzel eines Lenkgetriebes verbunden werden kann. Der
Ventileinsatz, der ein Teil des Ventilelements ist und am Trägerteil
angebracht ist, hat Steuernuten, die in ihrer Anzahl und Ausbildung
variieren können.
Da der Ventileinsatz und das Trägerteil getrennt
voneinander hergestellt werden, muß nicht das gesamte Ventilelement
in die Werkzeugmaschine eingebracht werden, sondern nur der kleinere Ventileinsatz.
An einem gleich ausgebildeten Trägerteil
können
so unterschiedliche Ventileinsätze
angebracht werden. Dasselbe Trägerteil
kann also für
unterschiedliche Ausführungen
verwendet werden. Die Herstellung des Drehschieberventils wird so
vereinfacht und kostengünstiger.
Der Ventileinsatz kann mit seiner optimierten Geometrie an unterschiedlichen Ventilelementen
angebracht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Ventileinsatz durch eine Vielzahl von ebenen, dünnen Platten
gebildet, die aufeinandergeschichtet sind. Die Steuernuten werden
in die einzelnen Platten gestanzt. Dadurch sind die an der Mantelfläche des Ventilelements
angeordneten Steuernuten der einzelnen Platte genau an derselben
Stelle angeordnet und haben dieselbe Geometrie. Auf diese Weise
sind Toleranzen minimiert. Vorteilhaft am Stanzen ist weiterhin,
daß dabei
kleinere Grate senkrecht zur Strömungsrichtung
entstehen, die die Strömung
weniger beeinflussen als die beim Schleifen der Steuerkanten entstandenen
Grate in Strömungsrichtung.
Die im Stand der Technik entstandenen Grate beim Schleifen konnten
zu einer Streuung der Ventilcharakteristik führen. Ferner werden die Steuerkanten
in einem Arbeitsschritt mit einem Werkzeug erstellt und nicht – wie im
Stand der Technik üblich – jede Steuerkante einzeln
geschliffen, was zu Unterschieden in den Steuerkanten führen konnte.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß die
Anzahl, die Breite bzw. die Winkellage der Flächen der Steuerkanten beliebig
variiert werden können,
was zu einer uneingeschränkten
Gestaltungsmöglichkeit
der Ventilkennlinie führt.
Beim Stanzen der Steuerkanten können
komplexe Geometrien mit Hinterschnitten einfach hergestellt werden,
die keine Verwirbelungen, Druckverluste und Strömungsgeräusche hervorrufen. Es sind
komplexe, stetige Steuerkantengeometrien ohne Kanten und Ecken möglich. Die
Steuerkantengeometrie kann ferner beim Stanzen leichter optisch
gemessen und geprüft
werden als beim Schleifen bzw. Fräsen. Auch können die aufeinandergeschichteten
Platten zueinander verdreht werden, wodurch schräge Steuernuten bzw. -kanten
möglich
sind. Die anschließend aufeinandergeschichteten
Platten können
Steuernuten bilden, deren Längsachsen
jeweils parallel zur Mittelachse des Ventilelements sind. Falls
die Steuernuten der anschließend
aufeinandergeschichteten Platten unterschiedliche Tiefen bzw. Breiten
haben, kann ein Ventileinsatz mit Steuernuten hergestellt werden,
deren Tiefen bzw. Breiten sich jeweils über ihre Längen ändern. Die Platten können in
unterschiedlichen Schichtdicken hergestellt werden und der Ventileinsatz
kann aus unterschiedlich vielen Platten bestehen. Die aufeinandergeschichteten Platten
können
untereinander durch Kleben, Stanznieten oder Verpressen verbunden
sein.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist der Ventileinsatz durch einen eigenstabilen Körper gebildet.
Der Körper
ist einstückig
und insbesondere ein Sinterkörper,
ein extrudierter oder gefräster
Körper
mit Steuernuten. Die Steuernuten müssen also nicht nachträglich in
den Ventileinsatz eingefräst
werden, so daß sich
minimale Toleranzen ergeben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen beschrieben, die
in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Ansicht einer hydraulischen Fahrzeugservolenkung,
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2 einen
schematischen Schnitt durch ein Drehschieberventil mit einem Arbeitszylinder,
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3 eine
Ansicht eines Ventilelements in Form einer Welle eines erfindungsgemäßen Drehschieberventils
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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4 eine
teilgeschnittene Ansicht des Ventilelements des Drehschieberventils
von 3,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Ventileinsatzes des erfindungsgemäßen Drehschieberventils,
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6 eine
schematische Ansicht des Ventileinsatzes mit einer Hülse,
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7 eine
Ansicht eines Ventilelement in Form einer Welle eines erfindungsgemäßen Drehschieberventils
gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
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8 eine
teilgeschnittene Ansicht des Ventilelements des Drehschieberventils
von 7,
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9 eine
geschnittene Ansicht eines Ventilelements in Form einer Welle eines
erfindungsgemäßen Drehschieberventils
gemäß einer
dritten Ausführungsform,
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10 eine
teilgeschnittene Ansicht eines Ventilelements in Form einer Welle
eines erfindungsgemäßen Drehschieberventils
gemäß einer
vierten Ausführungsform,
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11 eine
perspektivische Ansicht eines Ventileinsatzes des Drehschieberventils
von 10, und
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12 eine
geschnittene Ansicht eines Ventilelement in Form einer Welle eines
erfindungsgemäßen Drehschieberventils
gemäß einer
fünften
Ausführungsform.
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In
den 1 und 2 ist ein grundsätzlicher
Aufbau einer hydraulischen Fahrzeugservolenkung 8 gezeigt,
die in Verbindung mit einer mechanischen Lenkung 10 benutzt
wird, um das an einem Lenkrad aufzubringende Lenkmoment zu reduzieren.
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Es
ist eine Kolbenstange 11 (2) vorgesehen,
die mit einer Spurstange 12 verbunden ist und in einem
Arbeitszylinder 14 angeordnet ist. Die Kolbenstange 11 teilt
den Arbeitszylinder 14 in zwei Kammern 16, 18.
Die beiden Kammern 16, 18 sind über Leitungen 20, 22 mit
einem Drehschieberventil 24 verbunden, das auf einer Lenkwelle 25 angeordnet ist.
Das Drehschieberventil 24 besteht aus zwei Ventilelementen,
nämlich
einer hülsenförmigen Welle 26, die
mit der Lenkwelle 25 verbunden ist, und einer die Welle 26 umgebenden
Hülse 28,
die mit einem Ritzel (nicht gezeigt) eines Lenkgetriebes verbunden
ist. Die Welle 26 und die Hülse 28 besitzen auf
ihren einander zugewandten Mantelflächen Steuernuten 30, wobei
die Steuernuten 30 der Hülse 28 in die Leitungen 20, 22 münden, die
zu den Kammern 16, 18 des Arbeitszylinders 14 führen (2).
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Die
Funktionsweise des Drehschieberventils 24 ist folgende:
Wird
das Lenkrad eingeschlagen, so wird die manuell aufgebrachte Lenkkraft über einen
mittig angeordneten Torsionsstab 32 auf das Ritzel übertragen.
Dabei wird der Torsionsstab 32, der an einem Ende mit der Hülse 28 und
dem Ritzel und am anderen Ende mit der Welle 26 drehfest
verbunden ist, auf Torsinn bean sprucht und geringfügig verdreht.
Dies bewirkt ein Verdrehen der Welle 26 gegenüber der
sie umgebenden Hülse 28.
Dadurch werden die Stellungen der Steuernuten 30 zueinander
verändert
und Einlaßschlitze
für den
Druckölzulauf
geöffnet.
Das von einer Pumpe 34 (2) kommende
Drucköl
fließt
durch die Einlaßschlitze
in die Steuernut 30 der Hülse 28 und wird in
die entsprechende Kammer 16 bzw. 18 geleitet.
Der Flüssigkeitsdruck
wirkt entweder auf die linke oder rechte Seite des Arbeitszylinders 14 und erzeugt
hier die hydraulische Unterstützungskraft.
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Wird
das Lenkrad nicht mehr weiter verdreht, so gehen der Torsionsstab 32 und
die Welle 26 in die in 2 gezeigte
Neutralstellung zurück.
Die Schlitze zu den Kammern 16, 18 werden geschlossen,
die für
den Rücklauf
zu einem Vorratsbehälter
(nicht gezeigt) sind geöffnet.
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In
den 3 bis 12 sind unterschiedliche Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Drehschieberventils 24 und
Teile desselben gezeigt.
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Die
Welle 26, die Teil des Drehschieberventils 24 ist,
hat ein Trägerteil 36 mit
einer mittigen Bohrung, in der der Torsionsstab 32 aufgenommen
ist. Das Trägerteil 36 hat
einen ersten und einen zweiten Teil 38, 40. Der
Außendurchmesser
des ersten Teils 38 ändert
sich so, daß eine
radiale Schulter 39 zwischen den Außendurchmessern gebildet ist.
Der Bereich mit dem verringerten Durchmesser dient als Anlagefläche 42 für einen
Ventileinsatz 44 und für
einen Abschnitt des zweiten Teils 40 des Trägerteils 36.
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Der
zweite Teil 40 des Trägerteils 36 ist ebenfalls
zylinderförmig
mit einer mittigen Öffnung zur
Aufnahme des Torsionsstabes 32. Der Außendurchmesser des zweiten
Teils 40 ändert
sich ebenfalls so, daß eine
radiale Schulter gebildet ist.
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Bei
der Montage der Welle 26 wird der Ventileinsatz 44 von
(gemäß z.B. 4)
unten bzw. oben (9) aufgeschoben, bis er an der
radialen Schulter des Trägerteils 36 anliegt.
Der zweite Teil 40 des Trägerteils 36 wird ebenfalls
von unten (3–8 und 10–12)
bzw. oben (9) auf das erste Teil 38 des
Trägerteils 36 aufgeschoben.
Anschließend
werden die beiden Teile 38, 40 des Trägerteils 36 aneinander
gepreßt
und gegebenenfalls mittels eines Befestigungsmittels 46 aneinander
befestigt. Genausogut könnte
der zweite Teil 40 des Trägerteils 36 kalt aufgepreßt oder
aufgeschrumpft, verklebt, gelötet
oder verschweißt
werden. Es kann auch ein Vielzahn- oder Vieleckprofil oder eine
Paßfeder
verwendet werden. Der Ventileinsatz 44 ist so zwischen der
Schulter 39 des Teils 38 des Trägerteils 36 und dem
Teil 40 eingespannt. Auch kann der Ventileinsatz 44 auf
das erste Teil aufgepreßt
werden oder durch Kleben, Löten
oder einem anderem Prozeß verbunden
werden.
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Wenn
alle Teile gefügt
sind, wird der Außendurchmesser
der Welle 26 geschliffen, um die hohen Anforderungen hinsichtlich
Durchmessertoleranz und Oberflächengüte zu erfüllen.
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Im
folgenden wird auf die unterschiedlichen Ausführungsformen eingegangen.
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In
den 3 bis 6 ist die Welle 26 des Drehschieberventils 24 in
einer ersten Ausführungsform
gezeigt, wobei 5 und 6 den Ventileinsatz 44 zeigen.
Der Ventileinsatz 44 hat vier (5) oder
sechs (6) gefräste
Steuernuten 30, die mit Steuernuten 30 der Hülse 28 (schematisch
in 6 gezeigt) zusammenwirken können. Obwohl vier bzw. sechs
Steuernuten 30 gezeigt sind, könnten auch mehr oder weniger
vorgesehen sein. Der Ventileinsatz 44 ist jeweils durch
eine Vielzahl von ebenen, dünnen,
gestanzten Platten, die aufeinander geschichtet sind, gebildet,
wobei die Längsachsen
der Steuernuten 30 parallel zur Mittelachse M der Welle 26 sind.
Genausogut könnten
die Platten durch Brennen, Erodieren, Schneiden oder einem ähnlichen Prozeß hergestellt
werden. Da die Form der Steuernuten 30 aller Platten identisch
ist, werden die Kosten und die Fehlermöglichkeiten des Herstellungsprozesses
reduziert. Die Platten können
auch beschichtet sein, so daß der
Körperschall
schlechter geleitet wird. Die Platten können aus dem Material bestehen, aus
dem die Welle 26 ist.
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Die
Platten und der zweite Teil 40 des Trägerteils 36 werden
auf die Anlagefläche 42 des
ersten Teils 38 des Trägerteils 36 aufgeschoben,
wobei die Winkellage der Platten durch eine oder mehrere Nuten 45' (5),
die an einer Nase (n. gez.) der Welle 26 angreift, oder
durch eine oder mehrere Nasen 45'' (6),
die in eine Nut (n. gez.) der Welle 26 eingreift, gesichert.
Die Platten können
beispielsweise durch Stanznieten oder durch Kleben zu einem Paket
verbunden werden und als Paket auf die Anlagefläche 42 des ersten
Teils 38 oder einzeln aufgeschoben werden. Anschließend werden
die beiden Teile 38, 40 des Trägerteils 36 aneinander
gepreßt. Das
Ventilelement 44 ist so zwischen den Teilen 38, 40 fixiert.
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Die
in den 7 und 8 gezeigte Ausführungsform
unterscheidet sich nur dadurch, daß die Breite B bzw. Tiefe T
der Steuernuten 30 sich entlang der Länge L der Steuernuten 30 ändert. Durch
die unterschiedliche Ausbildung der Steuernuten 30 kann der
Fluidstromdurchlauf verändert
werden.
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In 9 ist
eine dritte Ausführungsform
des Drehschieberventils 24 gezeigt. Der Stift 46,
der der Befestigung der beiden Teile 38, 40 des
Trägerteils 36 dient,
ist in dieser Ausführungsform
oberhalb des Ventileinsatzes 44 angeordnet. Der Kraftfluß ist günstig, da
die beiden Teile 38, 40 zusätzlich über einen Stift des Torsionsstabes
verbunden sind. Das mechanische Moment wird also sowohl über den
Stift 46 vom Teil 38 auf den Teil 40 übertragen
als auch über
den Stift 47 des Torsionsstabes.
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In
den 10 und 11 ist
eine vierte Ausführungsform
gezeigt. Der Ventileinsatz 44 ist hier ein eigenstabiler,
einstückiger
Körper,
insbesondere ein Sinterkörper
oder extrudierter Körper,
der von (gemäß 10)
unten auf das Trägerteil 36 aufgeschoben
wird. Der Ventileinsatz 44 hat vier Steuernuten 30,
deren Längsachsen
jeweils parallel zur Mittelachse M der Welle 26 sind. Obwohl
vier Steuernuten 30 gezeigt sind, könnten auch mehr oder weniger
vorgesehen sein.
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Obwohl
der Ventileinsatz 44 in allen Ausführungsformen als Teil der Welle 26 gezeigt
ist, könnte es
genausogut Teil der Hülse 28 mit
den entsprechenden Steuernuten 30 sein (nicht gezeigt).
Genausogut könnte
der Ventileinsatz 44 sowohl am Trägerteil der Welle 26 als
auch am Trägerteil
der Hülse 28 vorgesehen
sein (nicht gezeigt).
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In 12 ist
eine fünfte
Ausführungsform gezeigt.
Der Ventileinsatz 44 besteht aus mehreren Platten, wobei
die Platten gegeneinander verdreht montiert sind, und zwar so, daß die Längsachse
der Steuernuten 30 schräg
zur Mittelachse M des Ventileinsatzes 44 ist. Es sind also
schräge
Steuernuten 30 gebildet. Die Nuten 45' bzw. die Nasen 45'' (5 und 6),
die die Winkellage der Platten auf der Welle 26 festlegen,
müssen
dazu bei jeder Platte anders orientiert sein, oder die Nasen bzw.
Nuten (n. gez.) auf der Welle 26 müssen schräg angeordnet sein.