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Die
Erfindung betrifft einen Bewegungskraftverstärker bei der
Umwandlung einer vorzugsweise manuell erzeugten Drehbewegung in
eine translatorischen Bewegung.
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Einer
der bekannten Anwendungsfälle ist die Servolenkung, mittels
der eine Reduzierung der Kraft, die zur Betätigung des
Lenkrades eines Kraftfahrzeuges beim Lenken im Stand, beim Rangieren, oder
bei geringen Fahrgeschwindigkeiten nötig ist, erreicht
wird.
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Die
Servolenkung unterstützt den Fahrer beim Lenken, in dem
die vom Fahrer aufgebrachte Kraft zum Lenken verstärkt
wird.
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Dabei
handelt es sich um ein hydraulisches System, bestehend aus der vom
Motor angetriebenen Pumpe, dem Ölvorratsbehälter,
dem Servoventil, dem Hydraulikzylinder sowie den dazugehörigen Druckleitungen.
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Servolenkungen
sind, in der Literatur vielfach beschrieben. Gemeinsam ist den vorgeschlagenen
hydraulischen Konstruktionen, dass die Drehbewegung des Lenkrades
und damit der Lenksäule auf einen rotierenden Regelschieber übertragen
wird. Dieser lenkt den ständig geförderten Volumenstrom in
Abhängigkeit von der Stellung des Drehventils in Teilen
in einen Arbeitszylinder um, der die mechanisch mittels des Lenkgetriebes
auf die Spurstangen übertragene manuelle Kraft verstärkt,
oder anders ausgedrückt, die ansonsten manuell benötigte
Kraft reduziert.
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Dieses
grundsätzliche Arbeitsprinzip liegt auch der
DE 10 2007 029 000 A1 zugrunde,
die eine Zahnstangen-Ritzel-Servolenkung beschreibt. Hier weist
die Zahnstange einen Handbetätigungsabschnitt mit einer
Verzahnung für einen Eingriff eines Ritzels und einen Servobetätigungsabschnitt
mit einem Gewinde für einen Eingriff eines Servoantriebes auf.
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Um
die mit dieser Zahnstange übertragbaren Lenkkräfte
im Bereich der Endstellungen der Servolenkung zu erhöhen,
ist die Verzahnung an ihrem Endbereich bezüglich der Längsachse
der Zahnstange schraubenförmig verwunden.
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Ferner
sind eine Reihe von technischen Lösungen bekannt, die die
Möglichkeit bieten, den Volumenstrom in Nuancen zu korrigieren
und so die Lenkung zu optimieren.
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Mit
der
DE 10 2007
040 359 A1 wird ein Fahrzeuglenksteuersystem bereitgestellt,
in dem ein Servolenkmechnismus eine adäquate Unterstützung der
Lenkreaktionskraft bereitstellt, selbst wenn ein Lenkwinkelkorrekturmechanismus
zusätzlich zu einer Lenkbestätigung durch den
Fahrzeugfahrer betätigt wird, wodurch ein Gefühl
einer stabilen Lenkung aufrechterhalten und somit eine Verunsicherung
des Fahrers verhindert wird. Unter Berücksichtigung eines
Korrekturbeitrages des Vorderradlenkwinkels, der durch einen Hilfslenksteuerabschnitt
bereitgestellt wird, korrigiert ein Servolenksteuerabschnitt einen
Unterstützungsstrom aus einem Unterstützungsstromkennfeld,
das basierend auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einem Lenkdrehmoment
erzeugt wird.
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Bei
der Servolenkung nach
EP
09 30 216 B1 zum Erzeugen einer Lenkhilfskraft mittels
eines Hydraulikdruckes, der von einer Pumpe erzeugt wird, die von
einem elektrischen Motor angetrieben wird, sind Lenkwinkelgeschwindigkeits-Erfassungsmittel zum
Erfassen einer Lenkwinkelgeschwindigkeit vorgesehen sowie Steuermittel
zum variablen Einstellen einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des
elektrischen Motors gemäß der Lenkwinkelgeschwindigkeit,
die von den Lenkgeschwindigkeits-Erfassungsmitteln erfaßt
ist, Steuermittel zum Einstellen der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
des elektrischen Motors auf eine vorbestimmte konstante Geschwindigkeit bzw.
Drehzahl, Steuermittel zum Anhalten des elektrischen Motors unter
einer vorbestimmten Bedingung und Steuermittel zum Einschalten des
elektrischen Motors.
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Wesentliche
Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen darin,
dass der hydraulische Antrieb baulich neben dem mechanischen Antrieb
existiert und die Ventilsteuerung für den hydraulischen
Antrieb entfernt von dem eigentlichen Lenkgetriebe angeordnet ist,
nämlich an der Lenksäule und damit Druckleitungen
notwendig werden, um den von der Ventilsteuerung (Regelschieber)
kommenden Volumenstrom zu der Servobetätigungseinrichtung
zu leiten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die die manuelle Lenkbewegung unterstützenden
Baugruppen (Servolenkung) mit dem manuell zu betätigenden
Lenkbetriebe in einer Baueinheit zu vereinen.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird
bei einem Bewegungskraftverstärker, der besteht aus einer
in einem Getriebegehäuse angeordneten Eingangswelle für eine
Drehbewegung und einer aus dem Getriebegehäuse herausführenden
Antriebsstange für eine translatorischen Bewegung, wobei
auf der Eingangswelle ein Ritzel angeordnet ist, das mit einer Verzahnung,
die mit der Antriebsstange gekoppelt ist, kämmt und die
Antriebsstange mit einem hydraulisch in beide Richtungen der translatorischen
Bewegung betätigbaren Kolben verbunden ist, wobei die Kolbenbewegung
in Abhängigkeit von der Drehbewegung der Eingangswelle
zur Verstärkung der durch das Drehmoment bewirkten translatorischen
Kraft steuerbar ist und der dabei genutzte hydraulische Volumenstrom
einem Hydraulikkreislauf entstammt,
vorgeschlagen, dass
im
Getriebegehäuse ein Hohlkolben translatorisch bewegbar
angeordnet ist und der Hohlkolben beidseitig mit dem Getriebegehäuse
je einen Gehäuseraum bildet, wobei die beiden Gehäuseräume
miteinander strömungstechnisch verbunden sind und ein Gehäuseraum über
einen Auslass verfügt, oder beide Gehäuseräume über
je einen Auslass verfügen, wobei der oder die Auslässe
mit dem Hydraulikkreislauf gekoppelt sind. Der Hohlkolben ist weiter
mit der Antriebsstange verbunden und in den Hohlkolben ist stirnseitig
und abgedichtet ein Führungsrohr eingeführt, das
mit dem Getriebegehäuse fest verbunden ist und das an den
Hydraulikkreislauf angeschlossen ist.
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Im
Hohlkolben stützt sich innenwandig ein auf dem Führungsrohr
gleitend angeordneter Steuerkolben dichtend ab, so dass beidseitig
Zylinderräume gebildet sind, die über jeweils
mindestens eine verschließbare Ausströmöffnung
in einen der Gehäuseräume oder in die strömungstechnische
Verbindung zwischen den Gehäuseräumen verfügen.
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Der
Hohlkolben weist weiter einen Schieber auf, der mit der Verzahnung
für das Ritzel zur Übertragung der Drehbewegung
in die translatorische Hohlkolbenbewegung gekoppelt ist und der
das Verschließen/Öffnen der Ausströmöffnungen
steuert. Der Steuerkolben ist nur begrenzt bewegbar auf dem Führungsrohr
angeordnet, derart, dass er je nach Stellung Austrittsöffnungen
aus dem Führungsrohr in beide Zylinderräume des
Hohlkolbens oder in jeweils nur einen dieser Zylinderräume
freigibt.
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Auf
diese Weise entsteht eine kompakte Baugruppe, die eine Bewegungsübertragung
auch ohne Kraftverstärkung gewährleistet und die
angeschlossen an einen Ölkreislauf mit Hydraulikpumpe durch
die vorgeschlagene Wirkmechanismen eine Bewegungskraftverstärkung
gewährleistet.
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Grundsätzlich
reicht ein Ölkreislauf beliebiger Art, wobei je nach Einsatz
und Verwendungszweck natürlich eine Optimierung zwischen
den Strömungsräumen und Durchströmöffnungen
und dem Ölstrom einschließlich der Ölviskosität
zweckmäßig erscheint.
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Beim
Einsatz als Servolenkung eines Kraftfahrzeuges ist die Eingangswelle
mit der Lenksäule zu koppeln und die Antriebsstange mit
den Spurstangen. Natürlich ist es auch möglich,
den Hohlkolben beidseitig mit einer Antriebsstange auszurüsten,
was die Anordnung in einem Kraftfahrzeug möglicherweise
noch weiter vereinfachen dürfte.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 den
Bewegungskraftverstärker mit Anschlüssen,
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2 den
Hohlkolben,
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3 den
Hohlkolben mit Schieber,
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4 einen
Abschnitt des Führungsrohres,
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5 das
Führungsrohr mit Steuerkolben,
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6 das
Führungsrohr mit Steuerkolben lagestabilisiert,
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7 den
Bewegungskraftverstärker im Leerlauf,
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8 die
Bewegungskraftverstärkung in Richtung A und
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9 die
Bewegungskraftverstärkung in Richtung B.
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1 zeigt
in einer Aussenansicht den Bewegungskraftverstärker bestehend
aus einer in einem Getriebegehäuse 1 angeordneten
Eingangswelle 2 für eine Drehbewegung und einer
aus dem Getriebegehäuse 1 herausführenden
Antriebsstange 4 für eine translatorische Bewegung.
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Beim
Einsatz als Servolenkung eines Kraftfahrzeuges ist die Eingangswelle 2 mit
der Lenksäule zu koppeln und die Antriebsstange 4 mit
den Spurstangen.
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Diese
kompakte Baugruppe zur Bewegungskraftverstärkung ist an
einen Hydraulikkreislauf 9 angeschlossen, so dass der durch
die Pumpe des Hydraulikkreislaufes 9 erzeugte Flüssigkeitsstrom,
vorzugsweise ein Ölstrom, durch die einzelnen Bauteile innerhalb
des Getriebegehäuses geleitet wird und hier neben der Steuer-
auch eine Schmierfunktion erfüllt. Als Einlass dient das
Führungsrohr 11, das mit dem Getriebegehäuse 1 fest
verbunden ist. Der Auslass 10 verfügt über
einen Anschluss für eine Druckleitung des Hydraulikkreislaufes 9.
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Im
Getriebegehäuse 1 ist der in 2 dargestellte
Hohlkolben 6 translatorisch bewegbar angeordnet. Der Hohlkolben 6 ist
mit der Antriebsstange 4 verbunden und in den Hohlkolben 6 ist
stirnseitig und abgedichtet das Führungsrohr 11 geführt.
Der durch das Führungsrohr 11 einströmende
Volumenstrom des Hydraulikkreislaufes 9 durchströmt
innerhalb des Hohlkolbens 6 die Austrittsöffnung 17,
tritt aus den verschliessbaren Ausströmöffnungen 12, 13 in
das Getriebegehäuse 1 aus und gelangt von da über
den Auslass 10 wieder in eine Druckleitung zur Pumpe des
Hydraulikkreislaufes 9.
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Aussen
auf dem Hohlkolben 6 ist wie in 3 dargestellt
der Schieber 20, hier ein Rohr mit der eingearbeiteten
Verzahnung 5 zum Eingriff des Ritzels 3, verschiebbar
angeordnet.
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Ein
geringes Verschieben des Schiebers 20 auf dem Hohlkolben 6 bewirkt
das Verschließen einer der Ausströmöffnungen 12, 13 und
setzt damit die Bewegungskraftverstärkung bei vorhandenem
arbeitenden Hydraulikkreislauf in Gang, wie nachfolgend noch beschrieben
wird.
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Bei
funktionslosem Hydraulikkreislauf wird die Bewegungsübertragung
ohne Kraftverstärkung ebenfalls nahezu spielfrei gewährleistet.
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Die
in das Getriebegehäuse 1 eingeleitete Drehbewegung
führt so zwangsweise zu einer Längsbewegung der
Antriebstange 4 wie es allgemein bei einer Lenkung üblich
ist. Durch eine zusätzliche Kraft, erzeugt durch den Volumenstrom
innerhalb des Hohlkolbens 6, lässt sich die notwendige Bewegungskraft
verstärken.
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Dabei
kommt den Ausströmöffnungen 12, 13 eine
wesentliche Bedeutung zu, denn durch das Öffnen oder Schließen
werden die Druckverhältnisse innerhalb des Hohlkolbens 6 gesteuert.
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In
der Leerlaufstellung sind beide Ausströmöffnungen
geöffnet. Das Verschließen jeweils einer der Ausströmöffnungen 12, 13,
d. h. wechselseitig, erfolgt mittels des Schiebers 20,
der durch die Bewegung des Ritzels 3 in der Verzahnung 5 betätigbar
ist.
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Neben
der beschriebenen Variante eines Rohres als Schieber 20 ist
es auch möglich, das der Schieber 20 gebildet
ist aus einer anderweitig ausgebildeten Doppelwand des Hohlkolbens 6 mindestens im
Bereich der Ausströmöffnungen 12, 13, so
dass durch das Verschieben eines der Wände jeweils eine der
Ausströmöffnungen 12, 13 verschließbar
ist.
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Das
Verschieben in eine Geschlossenposition einer der Ausströmöffnungen 12, 13 erfolgt
gegen die Kraft einer Feder 19, hier bevorzugt durch jeweils eine
im Bereich der Ausströmöffnungen 12 und 13 angeordnete
doppelseitig wirkende Tellerfeder, die Durchströmöffnungen 23 aufweisen.
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4 zeigt
das Führungsrohr 11, auf dem der Hohlkolben 6 verschiebbar
und vorzugsweise abgedichtet angeordnet ist. Das Führungsrohr 11,
das zentrisch in den Hohlkolben 6 hineinragt, weist im Endbereich
am Umfang Austrittsöffnungen 17 für den Ölvolumenstrom
auf.
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Über
den Austrittsöffnungen 17 gleitet der Steuerkolben 14,
wobei die Austrittsöffnungen 17 größer
bemessen sind als die von der Breite des Steuerkolbens 14 verschließbare
Fläche der Austrittsöffnungen 17. Dadurch
wird stets eine Durchflussmöglichkeit für den Ölvolumenstrom
erhalten, entweder beidseitig des Steuerkolbens 14 oder
nur zu einer Seite hin. Dies ist in 5 dargestellt.
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Um
die Position des Steuerkolbens 14 zielgerichtet für
die Steuerung der Bewegungskraftverstärkung zu nutzen,
wird er in der Leerlaufstellung zentrisch über den Austrittsöffnungen 17 positioniert und
läßt sich jeweils gegen die Kraft einer Feder 18 in
eine Seitenposition verschieben.
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Wie 6 zeigt,
lässt sich dies vorteilhaft realisieren, indem auf dem
Führungsrohr 11 im Hohlkolben 6 eine
Ringbuchse 21 mit einer umlaufenden Nut 22 angeordnet
ist, in die Nut 22 die Austrittsöffnung(-en) 17 münden
und die Nutwände die seitliche Bewegungsbegrenzung für
den Steuerkolben 14 bilden. Die Nut 22 kann auch
durch zwei beabstandet angeordnete Ringbuchsen 21 gebildet
sein. Ferner können sich die beidseitig des Steuerkolbens 14 angeordneten
Tellerfedern 18 in Einschnitten in der jeweiligen Ringbuchse 21 abstützen.
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Ist
eine Stirnfläche der Ringbuchse 21 geschlossen
ausgeführt, lässt sich so auch das Führungsrohr 11 endseitig
verschließen.
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In
den 7 bis 9 ist der Bewegungskraftverstärker
im Schnitt in den Positionen
Leerlauf (7),
Bewegungskraftverstärkung
in Richtung A (8) und
Bewegungskraftverstärkung
in Richtung B (9)
dargestellt, wobei Öffnungen
für den jeweiligen Ölvolumenstrom als vergrößerte
Darstellung besonders hervorgehoben sind. Bei den Öffnungen
kann es sich jeweils um einen oder mehrere Schlitze oder Bohrungen
handeln. Entscheidend ist, dass diese sich wie beschrieben öffnen
und schließen lassen, um die Ölströme
entsprechend zu kanalisieren.
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In
der Leerlaufstellung (7) erfolgt ein gleichmäßiger Ölvolumenstrom
vom Hydraulikkreislauf 9 durch das Führungsrohr 11 und
die beidseitig des Steuerkolbens 14 offenen Austrittsöffnungen 17 in
die durch den Steuerkolben 14 gebildeten Zylinderräume 15, 16 innerhalb
des Hohlkolbens 6. Von dort gelangt das Öl durch
die geöffneten Ausströmöffnungen 12 und 13 in
die beiden miteinander strömungstechnisch verbundenen Gehäuseräume 7, 8 des
Getriebegehäuses 1 und tritt von dort über
den Auslass 10 in eine Druckleitung des Hydraulikkreislaufes 9 aus.
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Wird
nun das Ritzel 3 nach rechts gedreht, werden die Verzahnung 5 und
der Schieber 20 mitbewegt, damit auch der Hohlkolben 6 und
es erfolgt gleichzeitig eine Bewegungskraftverstärkung
in Richtung A (8).
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Mit
Beginn der Drehbewegung des Ritzels 3 erfolgt das Verschließen
der Ausströmöffnung 13 durch den Schieber 20,
hier ein Rohr mit der eingearbeiteten Verzahnung 5 zum
Eingriff des Ritzels 3.
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Infolge
der geschlossenen oder in der Anfangsphase auch nur gedrosselten
Ausströmöffnung 13 baut sich im Zylinderraum 16 ein Überdruck
auf, der ein Verschieben des Steuerkolbens 14 aus dem Zylinderraum 16 heraus
bewirkt. Die Folge ist, dass der Steuerkolben 14 seine
zentrische Stellung über den Austrittsöffnungen 17 des
Führungsrohres 11 verläßt und
den Ölvolumenstrom zunehmend einseitig in den Zylinderraum 16 lenkt.
Das dann in den Zylinderraum 16 gelangende Öl
verlangt eine Volumenvergrößerung des Zylinderraumes 16,
der durch eine Verschiebung des Hohlkolbens 6 in Richtung
A entsprochen wird. Dabei verkleinert sich das Volumen des Zylinderraumes 15,
wobei das hier vorhandene Öl durch die geöffnete
Ausströmöffnung 12 aus dem sich verkleinernden
Zylinderraum 15 entweichen kann. Die Bewegungskraft in
Richtung A wird so verstärkt.
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Läßt
die Drehkraft nach, d. h. es bedarf keiner Bewegungskraftverstärkung
mehr, öffnet der Schieber 20 die Ausströmöffnung 13 infolge
der Federkraft der hier befindlichen Tellerfeder 19, die
beim Schließen gespannt (zusammengedrückt) wurde.
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Mit
dem Öffnen der Ausströmöffnung 13 findet
ein Druckabbau durch das ausströmende Öl im Zylinderraum 16 statt
und der Steuerkolben 14 bewegt sich unter der Federspannung
der Federn 18 zurück in seine zentrische Stellung über
den Austrittsöffnungen 17.
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Es
stellt sich ein Strömungsgleichgewicht wie in der eingangs
beschriebenen Leerlaufstellung ein, wobei der Hohlkolben 6 in
seiner neuen Lage verbleibt. Diese verändert er in der
beschriebenen Weise erst dann, wenn das Ritzel 3 nach links
bewegt wird und eine Kraftverstärkung in Richtung B benötigt wird
(9).
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Dieser
Vorgang beginnt mit dem Verschließen der Ausströmöffnung 13,
dem Druckaufbau im Zylinderraum 15 und dem Umlenken des
geteilten Volumenstromes aus dem Führungsrohr 11 einseitig in
den Zylinderraum 15. Ansonsten verläuft der Vorgang
analog wie bei der Verstärkung in Richtung A beschrieben.
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Der
beschriebene Bewegungskraftverstärker kommt ausschließlich
mit mechanischen Steuermitteln aus. Natürlich ist es auch
möglich, insbesondere auf das Verschließen der
Ausströmöffnungen 12, 13 zusätzlich
sensorgesteuert Einfluss zu nehmen z. B. feinzusteuern oder zu verzögern.
So können zusätzliche Parameter wie Fahrtgeschwindigkeit
bei einem Kraftfahrzeug einbezogen werden.
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- 1
- Getriebegehäuse
- 2
- Eingangswelle
- 3
- Ritzel
- 4
- Antriebsstange
- 5
- Verzahnung
- 6
- Hohlkolben
- 7
- Gehäuseraum
innerhalb des Getriebegehäuses
- 8
- Gehäuseraum
innerhalb des Getriebegehäuses
- 9
- Hydraulikkreislauf
- 10
- Auslass
zum Hydraulikkreislauf
- 11
- Führungsrohr
mit Anschluß zum Hydraulikkreislauf
- 12
- Auslassöffnung(-en)
aus dem Hohlkolben
- 13
- Auslassöffnung(-en)
aus dem Hohlkolben
- 14
- Steuerkolben
- 15
- Zylinderraum
innerhalb des Hohlkolbens
- 16
- Zylinderraum
innerhalb des Hohlkolbens
- 17
- Austrittsöffnung(-en)
aus dem Führungsrohr
- 18
- Feder,
vorzugsweise Tellerfeder
- 19
- Feder,
vorzugsweise doppeltwirkende Tellerfeder
- 20
- Schieber
- 21
- Ringbuchse
- 22
- Nut
- 23
- Durchströmöffnung(-en)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007029000
A1 [0006]
- - DE 102007040359 A1 [0009]
- - EP 0930216 B1 [0010]