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Die
Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine hydraulische Servolenkung,
mit zwei Ventilelementen, die aus einer Neutralstellung relativ
zueinander verdreht werden können,
um dadurch die Überlagerung
eines zusätzlichen
Lenkmoments zu erreichen, einem Linearsteller, und einem Getriebe, mittels
dem die beiden Ventilelemente aneinandergekoppelt sind, wobei das
Getriebe einen linearen Hub des Linearstellers in eine Drehung umsetzt.
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Eine
solche Ventilvorrichtung ist aus der
DE 10 2004 049 686 A1 bekannt.
Um der vom Benutzer vorgegebenen Servounterstützungskraft eine von einer
Steuereinheit bestimmte Servounterstützungskraft (zusätzliches
Lenkmoment) zu überlagern,
ist die Ventilhülse
der Ventilvorrichtung nicht starr mit der Ausgangswelle gekoppelt,
sondern mit dieser über
zwei Planetengetriebe verbunden, um eine extern steuerbare Relativdrehung
der Ventilhülse
zur Ausgangswelle zu ermöglichen.
Ein Linearsteller kann über
einen Arm ein Hohlrad eines der Planetengetriebe so verdrehen, daß sich dadurch
zwangsläufig
eine Relativdrehung zwischen der Ventilhülse und der Eingangswelle ergibt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Relativdrehung zweier Ventilelemente einer
Servoventilvorrichtung zur Bereitstellung eines überlagerten Drehmoments zu
vereinfachen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch eine Ventilvorrichtung der eingangs genannten Art, bei der
das Getriebe ein drehfest an das erste Ventilelement gekoppeltes
erstes Zahnrad mit einer bezogen auf die axiale Richtung in einer
ersten Richtung geneigten Verzahnung und ein zweites Zahnrad mit
einer in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung
geneigten Verzahnung aufweist, wobei das zweite Zahnrad mittels
des Linearstellers axial verschiebbar ist. Das erfindungsgemäße Getriebe
zwischen den beiden Ventilelementen, vorzugsweise zwischen der Ventilhülse (Steuerhülse) und
der Ausgangswelle der Ventilvorrichtung, verlagert die Einstellung
des Relativwinkels zwischen den beiden Ventilelementen im Inneren
des Ventils auf die Steuerung einer externen linearen Verschiebung.
Zur Verdrehung des ersten Ventilelements muß nämlich lediglich eine axiale
Verschiebung des zweiten Zahnrads vorgenommen werden. Aufgrund der
gegenläufig
geneigten Verzahnungen des ersten und des zweiten Zahnrads führt diese
Verschiebung zu einer Drehung des ersten Zahnrads und des daran
drehfest gekoppelten Ventilelements. Die Einstellung des Relativwinkels
zwischen den beiden Ventilelementen ist dadurch gegenüber bekannten
Lösungen
stark vereinfacht.
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Die
Erfindung hat ferner den Vorteil, daß die auf das Getriebe wirkenden
Störkräfte, die
aus den Reibkräften
und Strömungskräften in
der Ventilvorrichtung resultieren, nahezu vollständig absorbiert werden. Gerade
bei einem kleinen Neigungswinkel der Verzahnungen ergibt sich ein
niedriger Rückwirkungsgrad
der Ventilvorrichtung. Damit ist die Voraussetzung für eine robuste
axiale Positionsregelung des zweiten Zahnrads auf einem sehr niedrigen Kraftniveau
geschaffen. Das erfindungsgemäße Funktionsprinzip
ermöglicht
den Einsatz unterschiedlicher Antriebe für den Linearsteller, d.h. es
kann auch auf Antriebskonzepte zurückgegriffen werden, die sich
in anderen Bereichen bewährt
haben. Je nach Ausführung
des Antriebs reicht die Bandbreite der möglichen praktischen Umsetzungen
von Low-Cost-Systemen mit geringen Anforderungen an Genauigkeit
und Dynamik der externen Ansteuerung bis zu Systemen mit höchster Regelgüte.
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Es
erweist sich als vorteilhaft, das zweite Zahnrad in eine Neutralstellung
vorzuspannen. Die Neutralstellung entspricht einer Stellung, in
der das zweite Zahnrad dem ersten Ventilelement eine Stellung aufzwingt,
die das erste Ventilelement einnehmen würde, wenn es fest mit dem zweiten
Ventilelement verbunden und keine Möglichkeit zur Überlagerung
eines zusätzlichen
Lenkmoments vorgesehen wäre.
Aus dieser Neutralstellung ist das erste Ventilelement durch das
zweite Zahnrad verdrehbar, wobei zum Verdrehen Rückstellkräfte überwunden werden müssen. Die
Vorspannung schafft eine höhere
Ausfallsicherheit der Ventilvorrichtung, insbesondere wenn der Linearsteller
nicht funktionsfähig
ist. Das zweite Zahnrad und damit auch das erste Zahnrad mit dem ersten
Ventilelement verbleiben dann in ihrer Neutralstellung, so daß die Ventilvorrichtung
in konventioneller Weise arbeiten kann.
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Zum
Ausgleich von Fertigungstoleranzen ist eine Justiereinrichtung zweckmäßig, mittels
der die axiale Neutralstellung des zweiten Zahnrads einstellbar
ist.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung weist das Getriebe ferner ein drehfest an das zweite Ventilelement
gekoppeltes drittes Zahnrad und ein drehfest an das zweite Zahnrad
gekoppeltes viertes Zahnrad auf. Das dritte und das vierte Zahnrad
haben entgegengesetzt geneigte Verzahnungen, wobei die Verzahnung
des dritten Zahnrads in der zweiten Richtung und die Verzahnung
des vierten Zahnrads in der ersten Richtung geneigt ist. Mit einem
solchen Getriebe ist eine genaue und zuverlässige gleichläufige Drehung
der beiden Ventilelemente auf einfache Weise realisierbar.
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Ein
besonders kompakter Aufbau des Getriebes ergibt sich dadurch, daß das zweite
Zahnrad und das vierte Zahnrad als Doppelritzel ausgebildet sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung;
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2 eine
Draufsicht auf das erste und das zweite Zahnrad der Ventilvorrichtung;
und
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3a bis 3c Seitenansichten
der Zahnräder
der Ventilvorrichtung in verschiedenen Betriebsstellungen.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 10 für eine hydraulische
Servolenkung in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Die Ventilvorrichtung 10 weist
in bekannter Weise eine mit dem Lenkrad verbundene Eingangswelle 12 und
eine durch einen Torsionsstab an die Eingangswelle 12 gekoppelte
Ausgangswelle 14 mit einem Ritzel 16 auf. Das
Ritzel 16 greift in eine Zahnstange ein, die Teil eines Lenkgetriebes
ist. Ein mit Steuernuten versehener Abschnitt der Eingangswelle 12 ist
in einer Ventilhülse 18 angeordnet.
Die Ventilhülse 18 ist
nicht starr mit der Ausgangswelle 14 gekoppelt, sondern
drehbar auf dieser gelagert. Genauer gesagt ist die Ventilhülse 18 mit
der Ausgangswelle 14 über
ein Getriebe 20 verbunden, das nachfolgend genauer erläutert wird.
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Mit
der Ventilhülse 18 ist
ein Zahnrad 22 drehfest verbunden, das im folgenden als
Ventilhülsenzahnrad
bezeichnet wird. Das Ventilhülsenzahnrad 22 hat
eine bezüglich
der axialen Richtung des Zahnrads schräge Verzahnung. Ein weiteres
Zahnrad 24 ist mit der Ausgangswelle 14 drehfest
verbunden und wird im folgenden als Ausgangswellenzahnrad bezeichnet.
Das Ausgangswellenzahnrad 24 ist genauso groß und hat
genauso viele Zähne
wie das Ventilhülsenzahnrad 22,
die Verzahnung des Ausgangswellenzahnrads 24 ist jedoch
gegenüber
der Verzahnung des Ventilhülsenzahnrads 22 entgegengesetzt
geneigt.
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Die
beiden Zahnräder 22, 24 kooperieren
mit einem Doppelritzel 26, das auf einer Welle 28 gelagert
ist. Das Doppelritzel 26 besteht aus zwei fest miteinander
verbundenen Zahnrändern 30, 32,
von denen eines mit dem Ventilhülsenzahnrad 22 und
das andere mit dem Ausgangswellenzahnrad 24 kämmt (siehe
auch 2). Die Zahnräder 30, 32 haben
die gleichen Abmessungen und die gleiche Anzahl Zähne, die
Verzahnungen haben jedoch entgegengesetzte Neigungen. Bezogen auf
das Ventilhülsenzahnrad 22 und
das Ausgangswellenzahnrad 24 weisen die Verzahnungen der
Zahnräder 30, 32 jeweils eine
Neigung auf, die der Neigung des kämmenden Zahnrads 22 bzw. 24 entgegengesetzt
ist. Der Zahneingriff und die starre Verbindung der Zahnräder 30, 32 des
Doppelritzels 26 sorgen dafür, daß die Ventilhülse 18 immer
eine definierte, im wesentlichen spielfreie Winkelposition relativ
zur Ausgangswelle 14 einnimmt.
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Die
Welle 28 ist Teil eines Linearstellers 30, mit
dem die Welle 28 und damit das Doppelritzel 26 in
Längsrichtung
der Welle 28 axial in beide Richtungen verschoben werden
kann. Die Zahnräder 30, 32 des
Doppelritzels 26 weisen gegenüber dem Ventilhülsenzahnrad 22 und
dem Ausgangswellenzahnrad 24 eine größere axiale Höhe auf.
Zwei vorgespannte Schraubenfedern 34, 36 halten
das Doppelritzel 26 in der in den 1 und 3b gezeigten
Neutralstellung, in der das Ventilhülsenzahnrad 22 und
das Ausgangswellenzahnrad 24 axial mittig zu den Zahnrädern 30, 32 des
Doppelritzels 26 ausgerichtet sind.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind an den beiden Enden der Welle 28 Druckräume 38, 40 vorgesehen,
die mit unter Druck stehendem Öl,
das dem Hydraulikreislauf des Servolenksystems entnommen sein kann,
beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann die Welle 28 proportional
zum anliegenden Druck in axialer Richtung verschoben werden. Es
sind aber auch andere Antriebe zur Verschiebung der Welle 28 möglich, z.B.
ein doppelseitig wirkender Proportional magnet. Die Verwendung eines
elektromechanischen Linearstellers ist ebenfalls denkbar.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise der Ventilvorrichtung 10 beschrieben.
Im normalen Lenkbetrieb nimmt das Doppelritzel 26 die Neutralstellung ein,
wobei das Getriebe 20 so abgestimmt ist, daß sich die
Ventilhülse 18 und
die Ausgangswelle 14 dann in einer vorher festgelegten
Neutralstellung befinden. Bei einer Lenkbewegung des Fahrers wird
in bekannter Weise durch die Relativdrehung zwischen den Steuernuten
der Eingangswelle 12 und der Ventilhülse 18 ein von einer
Pumpe bereitgestellter Hydraulikstrom so gesteuert, daß in Abhängigkeit
von der jeweiligen Relativdrehung zwischen der Eingangswelle 12 und
der Ventilhülse 18 die
eine oder die andere Kammer eines Hydraulikzylinders mit dem Ölstrom beaufschlagt
wird. Die Drehung der Ventilhülse 18 wird
dabei über
das Getriebe 20 unverändert
auf die Ausgangswelle 14 übertragen.
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Wenn
eine elektronische Steuereinheit erkennt, daß eine Lenkmomentüberlagerung
wünschenswert
ist, z.B. um die Spurhaltung des Fahrzeugs für den Fahrer zu erleichtern,
ermöglicht
das Getriebe 20 eine Verdrehung der Ventilhülse 18 auf der
Ausgangswelle 14, um so die Steuerung des lenkkraftunterstützenden
Hydraulikstroms zu beeinflussen. Dazu wird das Doppelritzel 26 mit
Hilfe des Linearstellers 30 je nach Bedarf in die eine
oder andere Richtung axial verschoben, wie in den 3a und 3c gezeigt.
Die Breite und der axiale Abstand der Zahnräder 22, 24, 30, 32 zueinander
sind so abgestimmt, daß das
Ventilhülsenzahnrad 22 und das
Ausgangswellenzahnrad 24 bei einer Verschiebung des Doppelritzels 26 nicht
außer
Eingriff kommen. Aufgrund der besonderen Neigungen der einzelnen
Zahnräder 22, 24, 30, 32 bewirkt
die Verschiebung des Doppelritzels 26 eine gegenläufige Drehung
des Ventilhülsenzahnrads 22 und
des Ausgangswellenzahnrads 24, wie durch die Pfeile in
den 3a und 3c angedeutet.
Somit werden die Ventilhülse 18 und
die Ausgangswelle 14 relativ zueinander verdreht, wobei
das Ausmaß der
Verdrehung durch den Hub des Linearstellers 30 bestimmt ist.
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Bei
einem Ausfall des Linearstellers 30 nimmt das Doppelritzel 26 aufgrund
der Vorspannung durch die Federn 34, 36 die in 3b gezeigte Neutralstellung
ein, und die Ventilvorrichtung 10 kann weiter in konventioneller
Weise ohne die Möglichkeit einer
Lenkmomentüberlagerung
betrieben werden.
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Eine
Justiereinrichtung mit einer Einstellschraube 42 erlaubt
die Einstellung der axialen Position der Welle 28, so daß die Neutralstellung
des Doppelritzels 26 auch nach Fertigung der Ventilvorrichtung 10 noch
verändert
werden kann.