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Die
Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Fahrzeuglenksystem mit
einem Hydraulikkreis, der eine Pumpe, eine Zylinder/Kolben-Einheit und
ein Sicherheitsventil umfaßt, wobei die Pumpe wahlweise
eine erste Arbeitskammer oder eine zweite Arbeitskammer der Zylinder/Kolben-Einheit
mit einem Hydraulikdruck beaufschlagen kann, und wobei das Sicherheitsventil
in einer ersten Ventilstellung die beiden Arbeitskammern kurzschließt.
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In
der
US 2004/0195037
A1 ist bereits ein derartiges Fahrzeuglenksystem beschrieben,
wobei dieses System einen offenen Hydraulikkreis mit wenigstens
einem drucklosen Reservoir umfaßt. Bei elektrohydraulischen
Fahrzeuglenksystemen mit offenem Hydraulikkreis können
sich jedoch freie Gasblasen bilden (z. B. aufgrund von Kavitationserscheinungen
an der Pumpensaugseite), welche zu einem unerwünschten „Spiel"
zwischen dem Arbeitszylinder und der Pumpe führen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, dieses Spiel zu beseitigen,
um das Lenkungsverhalten des elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystems
sowie das Lenkgefühl des Fahrzeugführers zu verbessern.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrohydraulisches Fahrzeuglenksystem
zu schaffen, welches einfach entlüftet und befüllt
werden kann.
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Zur
Lösung dieser Aufgaben wird ein erfindungsgemäßes
Fahrzeuglenksystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei
dem der Hydraulikkreis ein geschlossener, vorgespannter Hydraulikkreis
ist, mit einem Druckspeicher, der in der ersten Ventilstellung des
Sicherheitsventils mit beiden Arbeitskammern in Verbindung steht.
Infolge der Vorspannung über den Druckspeicher werden Kavitationserscheinungen
im Hydraulikkreis verhindert oder wenigstens reduziert, wodurch
das unerwünschte Spiel zwischen Arbeitszylinder und Pumpe
beseitigt wird. Die Anordnung und Schaltung des Sicherheitsventils
erlaubt in der ersten Ventilstellung außerdem eine einfache
Befüllung und Entlüftung des vorgespannten Hydraulikkreises.
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Vorzugsweise
ist in dieser ersten Ventilstellung des Sicherheitsventils sowohl
ein Fluidfluß vom Druckspeicher zu den Arbeitskammern als
auch ein Fluidfluß von den Arbeitskammern zum Druckspeicher
möglich. Dadurch ist das vorteilhafte Verfahren der Vakuumbefüllung
des Hydraulikkreises anwendbar.
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In
einer Ausführungsform ist das Sicherheitsventil ein elektromagnetisch
angesteuertes Wegeventil, wobei die erste Ventilstellung einer unbestromten
Grundstellung des Sicherheitsventils entspricht. Das Sicherheitsventil
erfüllt somit einerseits die Funktion bekannter Fail-Safe
Ventile und erleichtert andererseits die Befüllung und
Entlüftung des Hydraulikkreises.
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In
einer Ausführungsform ist das Sicherheitsventil ein 3/2-Wegeventil,
welches in der ersten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
miteinander verbindet und in einer zweiten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
sperrt.
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In
einer anderen Ausführungsform ist das Sicherheitsventil
ein 4/2-Wegeventil, welches in der ersten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
miteinander verbindet und in einer zweiten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
sperrt. Dabei ist einer der Ventilanschlüsse über
einen unteren Druckspeicheranschluß und ein anderer Ventilanschluß über
einen oberen Druckspeicheranschluß mit dem Druckspeicher
verbunden. Eventuell im Hydraulikkreis vorhandene Gasblasen sammeln
sich bei geeigneter Positionierung des Sicherheitsventils und des
Druckspeichers daher vorteilhaft im oberen Bereich des Druckspeichers.
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Der
Hydraulikkreis weist bevorzugt genau einen Druckspeicher auf. Da
dieser Druckspeicher mit beiden Arbeitskammern in Verbindung steht,
wird jeglicher Fluidmangel bzw. Fluidüberschuß im
Hydraulikkreis durch diesen einen Druckspeicher kompensiert. Der
Einsatz lediglich eines Druckspeichers ist dabei besonders platzsparend.
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Außerdem
kann der Hydraulikkreis einen Befüllanschluß,
insbesondere genau einen Befüllanschluß aufweisen, über
den eine einfache Entlüftung und Befüllung des
Hydraulikkreises möglich ist.
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Der
Befüllanschluß umfaßt vorzugsweise einen
Befüllstutzen mit integriertem Rückschlagventil. Aufgrund
dieses Rückschlagventils kann über den Befülldruck
mit geringem Aufwand der gewünschte Vorspanndruck eingestellt
werden, mit dem der Hydraulikkreis beaufschlagt sein soll.
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In
einer Ausführungsvariante sind der Befüllstutzen
und der Druckspeicher im wesentlichen an derselben Stelle an den
Hydraulikkreis angeschlossen.
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Das
Fahrzeuglenksystem umfaßt vorzugsweise eine Verschlußkappe,
welche den Befüllstutzen dicht verschließt. Diese
dichtende Verschlußkappe verhindert zum einen das Eindringen
von Schmutz und verhindert zum anderen eine Leckage am Befüllanschluß.
Sie stellt damit auch eine preiswerte Alternative zu einem auf Lebenszeit
komplett dichten Rückschlagventil im Befüllstutzen
dar. Außerdem ist die Herstellung einer solchen Verschlußkappe
verglichen mit der Fertigung eines üblichen Tankdeckels deutlich
einfacher, da kein Druckausgleich zur Umgebung notwendig ist, wie
er bei einem Tank unter Umgebungsdruck erforderlich wäre.
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Vorzugsweise
grenzt die Verschlußkappe unmittelbar an das Rückschlagventil
an. Durch eine Anordnung der Verschlußkappe nahe des Rückschlagventils
ergibt sich lediglich ein geringes Volumen, das mit einer Leckage
des Rückschlagventils befüllt werden könnte.
Bei einer auftretenden Ventilleckage bleibt der maximale Druckverlust
im Hydraulikkreis somit gering.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Fahrzeuglenksystem
einen Befüllaufsatz zum Entlüften und/oder Befüllen
des Hydraulikkreises, wobei der Befüllaufsatz einen Sauganschluß (für Luft)
sowie einen Druckanschluß (für Öl) aufweist und
den Befüllstutzen ansonsten dicht verschließt. Mit
einem solchen Befüllaufsatz ist eine besonders einfache
Entlüftung bzw. Befüllung des Hydraulikkreises
möglich.
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Besonders
bevorzugt weist der Befüllaufsatz ein Element auf, welches
das Rückschlagventil beim Entlüften und/oder Befüllen
des Hydraulikkreises in einer Offenstellung hält. Dadurch
ist gewährleistet, daß das Rückschlagventil
den Entlüftungs- und Befüllvorgang, insbesondere
bei einer Vakuumbefüllung, nicht behindert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 den
schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen
Fahrzeuglenksystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 den
schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen
Fahrzeuglenksystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 ein
Detail des Befüllanschlusses aus 1, wobei
ein Befüllaufsatz vorgesehen ist; und
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4 ein
Detail des Befüllanschlusses aus 1, wobei
eine Verschlußkappe vorgesehen ist.
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In 1 ist
ein hydraulischer Schaltplan für ein Fahrzeuglenksystem 6 schematisch
dargestellt. Der Schaltplan zeigt dabei konkret einen geschlossenen
Hydraulikkreis 8 für ein elektrohydraulisches Fahrzeuglenksystem 6.
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Das
elektrohydraulische Lenksystem 6 weist ein Lenkrad 10 auf,
welches in bekannter Weise über ein Lenkgetriebe 12 mit
einer Zahnstange 14 gekoppelt ist, die wiederum mit lenkbaren
Rädern eines Kraftfahrzeugs zusammenwirkt (nicht gezeigt).
Am Lenkgetriebe 12 ist dabei ein Lenkmomenten- und/oder
Lenkwinkelsensor 16 vorgesehen, der seine Sensordaten an
eine elektronische Steuereinheit 18 eines Motor-Pumpen-Aggregats 20 weitergibt. Das
Motor-Pumpen-Aggregat 20 ist die Schnittstelle zwischen
dem elektrischen und dem hydraulischen Teil des elektrohydraulischen
Lenksystems 6 und weist neben der elektronischen Steuereinheit 18 noch
einen Motor 22 und eine reversible Pumpe 24 auf.
Als reversible Pumpe 24 wird in diesem Zusammenhang eine
Pumpe bezeichnet, die zwei unterschiedliche Förderrichtungen
für Hydraulikfluid aufweist. Das Fahrzeuglenksystem 6 umfaßt
ferner eine Zylinder/Kolben-Einheit 26 mit zwei Arbeitskammern 28, 30,
welche abhängig von der Förderrichtung der Pumpe 24 mit
Druck beaufschlagt werden und entsprechend eine axiale Bewegung
der Zahnstange 14 in einer ersten oder einer entgegengesetzten
zweiten Richtung bewirken oder unterstützen.
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Die
Pumpe 24 weist einen Leckölanschluß 32 auf, über
den Lecköl aus der Pumpe 24 in einen Druckspeicher 34 gelangen
und von dort über ein Rückschlagventil 36 zur
Saugseite der Pumpe 24 zurückströmen
kann.
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Der
in 1 dargestellte, für elektrohydraulische
Fahrzeuglenksysteme vorteilhafte Hydraulikkreis ist ein geschlossener
Hydraulikkreis 8 ohne „offenen Tank", d. h. ohne
ein unter Atmosphärendruck stehendes Druckmittelreservoir.
Als Druckmittelreservoir ist lediglich der Druckspeicher 34 vorgesehen,
welcher im gesamten Hydraulikkreis 8, insbesondere auch
an einem Sauganschluß der Pumpe 24, einen hydraulischen
Mindestdruck vorhält, der vorzugsweise zwischen dem Atmosphärendruck
und etwa 10 bar, insbesondere bei etwa 3 bis 5 bar liegt.
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Der
prinzipielle Aufbau eines elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystems
sowie dessen Funktionsweise sind bereits allgemein aus dem Stand
der Technik bekannt, weshalb im folgenden lediglich auf erfindungsrelevante
Besonderheiten, konkret auf ein Sicherheitsventil 38 und
einen Befüllanschluß 40 des Fahrzeuglenksystems 6 genauer
eingegangen wird.
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Das
Sicherheitsventil 38 schließt die Arbeitskammern 28, 30 der
Zylinder/Kolben-Einheit 26 in einer ersten Ventilstellung
gemäß 1 kurz, so daß keine
hydraulische Blockade entsteht. Die Kraftfahrzeuglenkung funktioniert
dann in diesem Fall rein mechanisch. Das Sicherheitsventil 38 ist
als elektromagnetisch angesteuertes Wegeventil dargestellt, wobei
die erste Ventilstellung einer unbestromten Grundstellung des Sicherheitsventils 38 entspricht. Eine
Feder 42 stellt dabei sicher, daß sich das Sicherheitsventil 38 im
unbestromten Zustand in diese Grundstellung bewegt und folglich
bei einem Systemausfall die Funktion eines bekannten Fail-Safe Ventils übernimmt.
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Das
Sicherheitsventil 38 stellt jedoch darüber hinaus
in seiner ersten Ventilstellung auch eine Verbindung zwischen dem
Druckspeicher 34 und den beiden Arbeitskammern 28, 30 her.
Insbesondere ermöglicht das Sicherheitsventil 38 in
seiner ersten Ventilstellung sowohl einen Fluidfluß vom
Druckspeicher 34 zu den Arbeitskammern 28, 30 als
auch einen Fluidfluß von den Arbeitskammern 28, 30 zum Druckspeicher 34.
Daraus ergeben sich besondere Vorteile bei der Entlüftung
und Befüllung des Hydraulikkreises 8.
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Der
Befüllanschluß 40 zum Entlüften
und Befüllen des Hydraulikkreises 8 ist gemäß 1 als
Befüllstutzen 44 mit integriertem Rückschlagventil 46 ausgebildet.
Gemäß 1 sind der Befüllstutzen 44 und
der Druckspeicher 34 im wesentlichen an derselben Stelle
an den Hydraulikkreis 8 angeschlossen.
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Der
Befüllanschluß 40 steht folglich sowohl mit
dem Druckspeicher 34 als auch mit den Arbeitskammern 28, 30 der
Zylinder/Kolben-Einheit 26 in Verbindung. Dementsprechend
ist eine einfache Entlüftung bzw. Befüllung, insbesondere
eine vorteilhafte Vakuumbefüllung des Hydraulikkreises 8 möglich. Bei
einer Vakuumbefüllung, insbesondere einer Erstbefüllung
des Systems, wird zunächst über den Befüllanschluß 40 Luft
(unter Umständen auch ein sonstiges Gas oder Gasgemisch)
durch Anlegen von Unterdruck aus dem Hydraulikkreis 8 herausgezogen. Hierfür
wird das in den Befüllstutzen 44 integrierte Rückschlagventil 46 in
seiner Offenstellung gehalten (vgl. 3). Daraufhin
kann die Luft aus dem Druckspeichers 34 problemlos abgesaugt
werden, wohingegen die Rückschlagventile 36 ein
unmittelbares Absaugen der Luft aus den Arbeitskammern 28, 30 verhindern.
Das Sicherheitsventil 38 befindet sich beim Entlüftungs-
bzw. Befüllvorgang allerdings in seiner unbestromten Grundstellung,
so daß die Luft aus den Arbeitskammern 28, 30 problemlos über
das Sicherheitsventil 38 und den Befüllanschluß 40 abgesaugt
werden kann.
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Nach
dem Absaugen der Luft herrscht im Hydraulikkreis 8 ein
Unterdruck. Im nächsten Schritt der Vakuumbefüllung
wird dem Hydraulikreis 8 Hydraulikfluid zugeführt,
wobei ein Befülldruck etwa im Bereich des gewünschten
Vorspanndrucks im geschlossenen, vorgespannten Hydraulikkreis 8 liegt.
Hierbei ist zu beachten, daß die Befüllung der
Arbeitskammern 28, 30 nicht zwangsläufig über
das Sicherheitsventil 38 erfolgen muß, sondern
(zusätzlich) auch über die nun geöffneten
Rückschlagventile 36 möglich ist.
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In
einer ersten Ausführungsform gemäß 1 ist
das Sicherheitsventil 38 ein 3/2-Wegeventil, welches in
der ersten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse miteinander
verbindet und in einer zweiten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
sperrt.
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Die 2 zeigt
eine zweite Ausführungsform des elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystems 6, die
sich jedoch lediglich durch eine geänderten Ausführung
des Sicherheitsventils 38 und einen etwas veränderten
Anschluß des Druckspeichers 34 an den Hydraulikkreis 8 von
der ersten Ausführungsform gemäß 1 unterscheidet.
Das Sicherheitsventil 38 ist gemäß 2 ein
4/2-Wegeventil, welches in der ersten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
miteinander verbindet und in einer zweiten Ventilstellung alle Ventilanschlüsse
sperrt. Dabei ist einer der Ventilanschlüsse über
eine obere Hydraulikleitung 48 mit einem oberen Druckspeicheranschluß 50 und
ein weiterer Ventilanschluß über eine untere Hydraulikleitung 52 mit
einem unteren Druckspeicheranschluß 54 des Druckspeichers 34 verbunden.
Somit können Gasblasen, die unter Umständen im
Hydraulikkreis 8 vorhanden sind, besonders vorteilhaft über
die obere Leitung 52 zum Druckspeicher 34 entweichen,
während über die untere Leitung Hydraulikfluid
aus dem Druckspeicher 34 nachströmen kann.
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Das
Sicherheitsventil 38 befindet sich vorzugsweise an der
höchsten Stelle des Hydraulikkreises 8, damit
sich dort beim Stillstand des Fahrzeugs eventuell vorhandene Gasblasen
sammeln und über die obere Leitung 52 in Richtung
zum Druckspeicher 34 entweichen können.
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Die 3 zeigt
den Befüllanschluß 40 gemäß 1 im
Detail. Der Befüllanschluß 40 umfaßt dabei
den Befüllstutzen 44 mit drei Anschlüssen 55, 56, 57 zu
den beiden Arbeitskammern 28, 30 und dem Druckspeicher 34.
Das Rückschlagventil 46 ist in den Befüllstutzen 44 integriert,
wobei ein Schließkörper 58 des Rückschlagventils 46 von
einer Feder 60 in eine Ventilschließstellung beaufschlagt
ist.
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In 3 ist
außerdem ein Befüllaufsatz 62 gezeigt,
mit einem Sauganschluß 64, über den auszutauschendes
Hydraulikfluid (bzw. ein Gas oder Gasgemisch) abgesaugt werden kann,
und einem Druckanschluß 66, über den
frisches Hydraulikfluid zugeführt werden kann. Der Befüllaufsatz 62 ist
in 3 vom Befüllstutzen 44 beabstandet
eingezeichnet, kann aber dichtend über den Befüllstutzen 44 gestülpt
werden, so daß lediglich über die Anschlüsse 64, 66 eine
Verbindung zum Hydraulikkreis 8 besteht. Die temporäre
Verbindung zwischen dem Befüllaufsatz 62 und dem
Befüllstutzen 44 wird bevorzugt als Rast- oder
Schraubverbindung ausgeführt, wobei ein Dichtelement 68 vorgesehen
ist, das die Dichtigkeit der Verbindung gewährleistet.
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Der
Befüllaufsatz 62 weist auf einer dem Befüllstutzen 44 zugewandten
Seite ein zapfenförmiges Element 70 auf, welches
das Rückschlagventil 46 beim Entlüften
und Befüllen des Hydraulikkreises 8 in einer Offenstellung
hält. Gemäß 3 drückt
das als Zapfen ausgebildete Element 70 hierzu den Schließkörper 58 des
Rückschlagventils 46 entgegen einer Federkraft
der Feder 60 nach unten, wenn der Befüllaufsatz 62 über
den Befüllstutzen 44 gestülpt ist. Eine
Behinderung des Entlüftungs- bzw. Befüllvorgangs
durch das Rückschlagventil 46 ist somit ausgeschlossen.
Entspricht der über den Druckanschluß 66 zugeführte
Befülldruck schließlich in etwa dem gewünschten
Vorspanndruck des elektrohydraulischen Fahrzeuglenksystems 6,
so wird der Befüllaufsatz 62 vom Befüllstutzen 44 abgenommen,
wodurch sich das Rückschlagventil 46 umgehend
in seiner Schließstellung bewegt. Somit bleibt der gewünschte Vorspanndruck
im Hydraulikkreis 8 erhalten.
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Um
den Befüllstutzen 44 und das Rückschlagventil 46 vor
Verschmutzung und Beschädigung zu schützen, ist
eine Verschlußkappe 72 vorgesehen, die über
den Befüllstutzen 44 gestülpt werden kann
(vgl. 4). Da das elektrohydraulische Fahrzeuglenksystem 6 einen
vorgespannten Hydraulikkreis 8 mit einem Druckspeicher 34 aufweist,
ist kein Druckausgleich mit der Umgebung nötig, wie er
für einen offenen Tank erforderlich wäre. Somit
kann in der Verschlußkappe 72 ein einfaches statisches Dichtelement 68 verwendet
werden, welches neben dem Eindringen von Schmutz auch eine Ölleckage über
den Befüllstutzen 44 verhindert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform grenzt die Verschlußkappe 72 unmittelbar
an das Rückschlagventil 46 an, wodurch stromabwärts
des Rückschlagventils 46 lediglich ein kleiner
geschlossener Raum entsteht, der eine eventuelle Leckage des Rückschlagventils 46 aufnehmen
kann. Bei einer Ventilleckage stellt sich in diesem Raum rasch der Vorspanndruck
des Hydraulikkreises 8 ein, ohne daß im Hydraulikkreis 8 ein
nennenswerter Druckverlust stattfindet. Da der Herstellungsaufwand
und die Kosten eines auf Lebenszeit dichtenden Rückschlagventils 46 wesentlich
höher liegen als der Aufwand und die Kosten einer dichtschließenden
Verschlußkappe 72, stellt diese Variante eine
kostengünstige Möglichkeit dar, den Befüllstutzen 44 zuverlässig
und dicht zu verschließen. Besonders bevorzugt weist der
Befüllstutzen 44 eine Vertiefung auf, welche beim
Entfernen der Verschlußkappe 72 eventuell angefallenes Leckageöl
auffängt.
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In
alternativen Ausführungsvarianten ist statt des Rückschlagventils 46 im
Befüllstutzen 44 ein Hahn vorgesehen (nicht gezeigt).
Ein Betätigungselement des Hahns wird in diesen Varianten
entweder manuell bedient oder ist so angeordnet, daß der Hahn
beim Aufsetzen des Befüllaufsatzes automatisch öffnet
und nach dem Befüllvorgang (beispielsweise durch Federkraft)
wieder automatisch verschlossen wird.
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Obwohl
in der zweiten Ausführungsform des elektrohydraulischen
Fahrzeuglenksystems 6 gemäß 2 am
Befüllstutzen 44 des Befüllanschlusses 40 lediglich
zwei Anschlüsse 56, 57 zum Sicherheitsventil 38/Leckölanschluß 32 und
zum Druckspeicher 34 vorgesehen sind, gibt es keine wesentlichen
funktionalen Unterschiede zur ersten Ausführungsform gemäß 1,
abgesehen von der besseren Entlüftung zum Befüllanschluß 40 hin.
Bis auf den fehlenden Anschluß 55 ist der Befüllstutzen 44 genau
wie in 1 aufgebaut, so daß die Beschreibung
zu den 3 und 4 analog auch für die
zweite Ausführungsform gemäß 2 gilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0002]