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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für den Antrieb von hydraulischen Verbrauchern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Insbesondere handelt es sich um hydraulisch angetriebene Nebenaggregate in Kraftfahrzeugen, beispielsweise einen mittels eines Hydraulikmotors angetriebenen elektrischen Generator, einen Klimakompressor einer Klimaanlage, einen Lüfter einer Brennkraftmaschine oder auch um weitere hydraulische Verbraucher wie zum Beispiel Wasserpumpe, Servobremse, Servolenkung bzw. Hilfskraftlenkung, Schaltkupplung, Niveauregulierung, aktive Federung usw.
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Diese Nebenaggregate dienen gewöhnlich dazu, den Komfort und/oder die Sicherheit von Fahrzeuginsassen zu verbessern bzw. zu erhöhen. So ist ein Teil der Nebenaggregate, zum Beispiel der elektrische Generator, ständig in Betrieb, während andere Aggregate nur zeitweise benötigt werden. Wiederum andere Nebenaggregate verbrauchen Leistung, obwohl sie keine wirksame Arbeit verrichten, beispielsweise die Hydraulik- bzw. Lenkhilfepumpe der sich in Ruhestellung befindenden Servolenkung.
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Gewöhnlich wird die Hydraulik- bzw. Lenkhilfepumpe, die ein Hydraulikfluid, zum Beispiel Hydrauliköl, durch ein Lenkventil pumpt, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Riementriebs über die Kurbelwelle des Fahrzeugmotors angetrieben. Folglich ist der von der Lenkhilfepumpe bereitgestellte hydraulische Durchsatz abhängig von der Motordrehzahl. Für eine Servolenkung, insbesondere für eine Servolenkung mit so genannter offener Mitte, wie sie nahezu in allen Kraftfahrzeugen verwendet wird, ist jedoch ein konstanter Durchfluß erforderlich, so dass zusätzlich zwischen der Lenkhilfepumpe und der Lenkung ein Stromregelventil in Reihe angeordnet ist. Das Stromregelventil stellt einen konstanten Durchfluß sicher und ist beispielsweise direkt an der Lenkhilfepumpe, beispielsweise unmittelbar an ihrem Fluidauslaß, angeordnet oder auch in die Lenkhilfepumpe integriert.
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In der Ruhestellung des Lenkventils der Servolenkung mit offener Mitte wird das von der Lenkhilfepumpe geförderte Hydraulikfluid zum Tank zurückgeführt, ohne eine wirksame Arbeit zu verrichten. Folglich werden für diese Art der Servolenkung hohe hydraulische Verluste in Kauf genommen.
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Ferner muß die Lenkhilfepumpe bzw. deren Antrieb derart ausgelegt sein, dass die Lenkhilfepumpe bereits bei der Leerlaufdrehzahl des Kraftfahrzeugmotors die für die Servolenkung erforderliche Durchsatzmenge des Hydraulikfluids fördert. Das von der Pumpe über den erforderlichen Durchsatz durch das Lenkventil hinaus geförderte Hydraulikfluid wird von dem Stromregelventil über eine Rücklaufleitung unmittelbar zurückgeleitet. Ist das Stromregelventil in die Lenkhilfepumpe integriert, zirkuliert das von dem Stromregelventil zurückgeführte, überschüssig geförderte Hydraulikfluid innerhalb der Pumpe, was zu einer Erwärmung des Hydraulikfluids führt und eine Kühlung des Hydraulikfluids erforderlich macht. Eine solche Kühlung verbraucht zusätzlich Energie und ist daher ineffizient.
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Derzeit gibt es Bestrebungen, die hydraulische Servolenkung in vielen Kraftfahrzeugen kleiner und mittlerer Größe durch eine elektro-hydraulische (E/H-PAS) oder eine rein elektrische Servolenkung (E-PAS, Electric Power Assisted Steering) zu ersetzen. Für schwere Fahrzeuge, beispielsweise Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen der gehobenen Klasse, ist die rein elektrische Servolenkung jedoch in der Regel nicht ausreichend stark genug, so dass für diese Fahrzeugkategorien der Einsatz hydraulisch betriebener Servolenkungen weiterhin erforderlich ist.
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Die
DE 100 12 497 A1 beschreibt eine Antriebsanordnung für die Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs. Die beschriebene Anordnung dient hinsichtlich der Drehzahl dem optimalen Antreiben der Nebenaggregate durch den Antriebsmotor des Fahrzeugs sowie der Sicherstellung gesteigerter Bordstromversorgungsbedürfnisse zukunftsorientierter Fahrzeugkonzeptionen. Es ist vorgesehen, zwischen Antriebsmotor und einem Nebenaggregatverbund eine in ihrer Übersetzung stufenlos variierbare Übertragungseinrichtung nach Art bekannter Wirbelstromkupplungen, anzuordnen, deren Polräder über Magnetfelder in Drehverbindung stehen. Die beschriebene Übertragungseinrichtung kann ferner als Strom erzeugender Generator oder als antreibender Motor verwendet werden, wobei im ersten Fall elektrisch antreibbare Nebenaggregate und im letzten Fall mechanisch, beispielsweise mittels eines Riementriebs antreibbare Nebenaggregate versorgt werden können.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anordnung für den Antrieb von hydraulischen Verbrauchern, insbesondere von Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen, anzugeben, die in erster Linie die in einem Fahrzeug bereitgestellte Energie wesentlich effizienter nutzt, darüber hinaus eine größere Flexibilität hinsichtlich der Anordnung von Nebenaggregaten in einem vorgegebenen Bauraum des Fahrzeugs bietet und außerdem wartungsarm und kostengünstig in der Herstellung ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Erfindungsgemäß wird eine Anordnung für den Antrieb von hydraulischen Verbrauchern, insbesondere von hydraulischen Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen, mit einer Hydraulikpumpe, mit der die Verbraucher fluidleitend verbunden sind, vorgeschlagen, wobei die Hydraulikpumpe eine Lenkhilfepumpe einer Servolenkung ist. Hierdurch kann die von der Lenkhilfepumpe geförderte Menge eines Hydraulikfluids, beispielsweise Hydrauliköl, und insbesondere die von der Pumpe über die zum ordnungsgemäßen Betrieb der Servolenkung erforderliche Menge hinaus geförderte Menge des Hydraulikfluids, in besonders vorteilhafter und effizienter Weise zum Antrieb von hydraulischen Verbrauchen, insbesondere von hydraulischen Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, die beispielsweise den Komfort und/oder die Sicherheit von Fahrzeuginsassen erhöhen, genutzt werden.
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Das nach dem Stand der Technik beispielsweise innerhalb der Lenkhilfepumpe zurückgeführte und in der Pumpe zirkulierende Hydraulikfluid wird erfindungsgemäß zum Antrieb von hydraulischen Verbrauchern bzw. Nebenaggregaten verwendet und erwärmt sich infolgedessen nicht mehr in dem Maße, wie es bei einer Zirkulation innerhalb der Pumpe der Fall ist. Eine Kühlung des Hydraulikfluids kann somit entfallen, wodurch der von der erfindungsgemäßen Anordnung beanspruchte Bauraum aufgrund der eingesparten Kühlvorrichtung, wie beispielsweise ein Ölkühler, kleiner ist.
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Des Weiteren können die hydraulischen Verbraucher, insbesondere die Fahrzeugnebenaggregate, nunmehr wesentlich flexibler in dem diesen zur Verfügung stehenden Bauraum, beispielsweise im Motorraum des Fahrzeugs, angeordnet werden, da sie nicht mehr mechanisch, zum Beispiel mittels eines herkömmlichen Riementriebs, von dem Motor des Kraftfahrzeugs unmittelbar angetrieben werden. Dies weist zum Beispiel bei einem hydraulisch angetriebenen Klimakompressor einer Klimaanlage den großen Vorteil auf, dass dieser von dem Wärme erzeugenden Motor beabstandet angeordnet werden kann, was den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs verbessert. Außerdem ist der erfindungsgemäße Antrieb von hydraulischen Verbrauchern im Vergleich zu mittels Riementrieb angetriebenen Verbrauchern wesentlich wartungsärmer bzw. sogar wartungsfrei, wodurch sich die Betriebskosten verringern.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Lenkhilfepumpe auslaßseitig mit dem Eingang einer Zweigleitung verbunden ist, die auslaßseitig wenigstens zwei, beispielsweise parallele Zweige aufweist, wobei wenigstens ein Verbraucher mit jeweils einem Zweig verbunden ist. Der Eingang der Zweigleitung kann insbesondere unmittelbar mit der Auslaßseite der Lenkhilfepumpe oder kurz dahinter mit dieser verbunden sein. Durch die parallele Anordnung der hydraulischen Verbraucher ist in erster Linie sichergestellt, dass bei Ausfall eines Verbrauchers alle anderen, parallel mit der Lenkhilfepumpe verbundenen Verbraucher weiterhin mit Hydraulikfluid versorgt werden können und betriebsbereit bleiben. Insbesondere ist dies von großem Vorteil, wenn eine störungsfreie Versorgung von sicherheitsrelevanten Verbrauchern, beispielsweise eines Lenkventils der Servolenkung, in jedem Fall gewährleistet sein muß.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Lenkhilfepumpe selbst kein Stromregelventil auf, welches eine interne Strömung innerhalb der Lenkhilfepumpe steuert. Hierdurch kann die Lenkhilfepumpe kostengünstiger hergestellt werden. Ferner ist die Lenkhilfepumpe gemäß dieser Ausführung bezüglich des störungsfreien Betriebs robuster und weist somit eine längere Betriebsdauer auf, da Stromregelventile empfindlich gegen Verunreinigungen des Hydraulikfluids sind.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zweigleitung mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Menge des durch die jeweiligen Zweige strömenden Hydraulikfluids versehen. Insbesondere ist die Steuervorrichtung bevorzugt beispielsweise mittels einer oder mehreren, in der Zweigleitung oder den jeweiligen Zweigen angeordneten, steuerbaren Ablenk- bzw. Drosselelementen derart ausgelegt, dass das von der Lenkhilfepumpe geförderte Hydraulikfluid im Wesentlichen jeweils nur in einen Zweig der Zweigleitung geleitet wird. Wenn beispielsweise der mit einem ersten Zweig verbundene Verbraucher eine hohe Antriebsleistung benötigt, wird der Strömungswiderstand für das Hydraulikfluid in der bzw. den anderen Zweigen der Zweigleitung entsprechend mittels der Steuervorrichtung erhöht und in dem ersten Zweig verringert. Wird hingegen eine hohe Antriebsleistung von einem anderen Verbraucher benötigt, der mit einer anderen Zweigleitung verbunden ist, verringert die Steuervorrichtung in dieser Zweigleitung den Strömungswiderstand für das Hydraulikfluid, während es den Strömungswiderstand in den anderen Zweigleitungen erhöht. Somit ist trotz einer vorgegebenen, festgelegten maximalen Förderleistung der Lenkhilfepumpe die Versorgung mehrerer Verbraucher gewährleistet. Da die Verbraucher lediglich in seltenen Fällen ihre (maximale) Antriebsleistung gleichzeitig abrufen, ist die Lenkhilfepumpe bevorzugt derart ausgelegt, dass ihre maximale Förderleistung unter der für eine gleichzeitige Versorgung aller angeschlossenen Verbraucher erforderlichen Gesamtleistung liegt. Folglich läßt sich der Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugs verbessern, da keine überschüssige, nur in äußerst seltenen Fällen bzw. gar nicht benötigte Leistung bereitgestellt wird. Somit ist der Einsatz kleiner dimensionierter und kostengünstigerer Lenkhilfepumpen möglich.
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Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Anordnung ferner ausgelegt, mit der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise der Steuervorrichtung eine Priorisierung bezüglich der Versorgung der Verbraucher mit Hydraulikfluid zu realisieren. Solange ein Verbraucher, beispielsweise ein sicherheitsrelevanter Verbraucher, eine hohe Antriebsleistung abfordert, lenkt die Steuervorrichtung das Hydraulikfluid lediglich in die Zweigleitung, mit der dieser Verbraucher verbunden ist, unabhängig davon ob möglicherweise andere, an weiteren Zweigleitungen angeschlossene Verbraucher ebenfalls eine Antriebsleistung abfordern. Eine derartige Priorisierung ist selbstverständlich nur in solchen Fällen einsetzbar, in denen andere Verbraucher keine sicherheitsrelevanten Funktionen bereitstellen.
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Andererseits könnte die Lenkhilfepumpe auch derart ausgelegt sein, dass sie die Versorgung von zwei oder mehreren Verbrauchern gleichzeitig sicherstellen kann, so dass die Steuervorrichtung gleichzeitig auch mehrere Zweigleitungen und daran angeschlossene Verbraucher mit Hydraulikfluid versorgen kann. Die Priorisierung bietet den wesentlichen Vorteil, dass der Versorgung und damit dem Antrieb sicherheitsrelevanter Verbraucher Vorrang eingeräumt werden kann, so dass deren Funktion stets gewährleistet ist.
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Die vorstehend beschriebene Priorisierung kann beispielsweise mittels einer entsprechenden, elektronischen Fahrzeugsteuereinrichtung realisiert werden, die elektrische Steuersignale anhand von vorzugsweise kontinuierlich überwachten Betriebsparametern erzeugt und diese dann über Steuerleitungen an die Steuervorrichtung übermittelt. Die Steuervorrichtung ist bevorzugt elektrisch betätigbar, sie kann jedoch auch mechanisch, beispielsweise durch entsprechende, mit der Steuervorrichtung verbundene, bewegbare Aktoren, oder pneumatisch betätigbar sein.
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Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung ferner bevorzugt ausgelegt, den von der Lenkhilfepumpe geförderten Hydraulikfluidstrom in den jeweiligen Zweigen der mit der Lenkhilfepumpe verbundenen Zweigleitung individuell und unabhängig voneinander zu steuern. Hierdurch ist die gleichzeitige Versorgung bzw. Antrieb mehrerer, an unterschiedlichen Zweigen der Zweigleitung angeschlossener Verbraucher mit Hydraulikfluid möglich. Insbesondere ist die gleichzeitige Versorgung mehrerer sicherheitsrelevanter Verbraucher möglich. In diesem Fall ist es bevorzugt, die Lenkhilfepumpe derart auszulegen, dass sie die für den gleichzeitigen Antrieb der Verbraucher erforderliche Gesamtleistung fördern kann. Diese ergibt sich aus der Summe der Einzelleistungen der einzelnen, gleichzeitig anzutreibenden Verbraucher. Darüber hinaus ist durch die individuelle Steuerung der Menge des Hydraulikfluids für jeden Zweig der Zweigleitung eine Anpassung der Antriebsleistung der jeweiligen angetriebenen Verbraucher an augenblicklich gegebene Betriebsbedingungen möglich. So kann die Antriebsleistung der Verbraucher erhöht oder abgesenkt werden, je nach momentan benötigter Antriebsleistung. Der Gesamtwirkungsgrad läßt sich hierdurch verbessern.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Steuervorrichtung ein steuerbares Schaltventil. Mit einem solchen Schaltventil ist im Wesentlichen der Hydraulikfluidstrom durch einen auslaßseitigen Zweig der Zweigleitung und somit der oder die an diesem Zweig angeschlossenen Verbraucher ein- bzw. abschaltbar. Das Schaltventil ist bevorzugt mechanisch, elektrisch oder pneumatisch betätigbar. Ferner ist das Schaltventil bevorzugt derart gestaltet, dass ein Umschalten des Hydraulikfluidstroms von einem auslaßseitigen Zweig auf einen anderen auslaßseitigen Zweig der Zweigleitung und umgekehrt möglich ist. Somit ist eine besonders einfache Steuerung des Hydraulikfluiddurchsatzes für jeden auslaßseitigen Zweig der Zweigleitung und somit der Antrieb des mit diesem Zweig verbundenen Verbrauchers realisierbar. Ferner kann die Steuervorrichtung ein oder auch mehrere Schaltventile umfassen. Beispielsweise kann ein Schaltventil für jeweils einen auslaßseitigen Zweig der Zweigleitung vorgesehen sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Steuervorrichtung ein steuerbares Stromregelventil. Hiermit ist die gezielte, individuelle Steuerung einer vorgegebenen Menge des Hydraulikfluids in einem auslaßseitigen Zweig der Zweigleitung möglich. Auch das Stromregelventil ist bevorzugt mechanisch, elektrisch oder pneumatisch betätigbar. Das Stromregelventil ermöglicht eine an die Antriebsleistung des Verbrauchers angepaßte Zuleitung des Hydraulikfluids und ermöglicht somit eine effiziente Antriebssteuerung der jeweiligen Verbraucher. Ferner kann die Steuervorrichtung ein oder auch mehrere Stromregelventile umfassen. Beispielsweise kann ein Stromregelventil für jeweils einen auslaßseitigen Zweig der Zweigleitung vorgesehen sein.
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Selbstverständlich ist auch eine Kombination von Schaltventil und Stromregelventil als Steuervorrichtung denkbar. So kann ein Zweig der Zweigleitung beispielsweise mittels eines Schaltventils und ein anderer Zweig mittels eines Stromregelventils gesteuert werden. Selbstverständlich sind auch weitere bekannte Steuervorrichtungen im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbar, beispielsweise Drosseln, Blenden, Düsen usw., die bevorzugt jeweils wie zuvor beschrieben steuerbar und elektrisch, mechanisch oder pneumatisch betätigbar sind.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der mit dem einen Zweig der Zweigleitung verbundene Verbraucher ein Lenkventil der Servolenkung und der mit dem anderen Zweig der Zweigleitung verbundene Verbraucher ein Klimakompressor und/oder ein Generator. Diese Anordnung ermöglicht einen besonders effizienten Antrieb der Verbraucher, da die von der Lenkhilfepumpe zur Verfügung gestellte Förderleistung und insbesondere die von der Servolenkung während der Betriebsdauer größtenteils nicht benötigte Leistung dem Antrieb eines Klimakompressors und/oder eines elektrischen Generators zur Verfügung steht. Lediglich in dem Fall, in dem die Servolenkung beispielsweise beim Parkieren des Fahrzeugs infolge vieler Lenkbewegungen eine hohe Antriebsleistung benötigt, wird durch die Steuervorrichtung die Versorgung des Lenkventils mit dem Hydraulikfluid ausreichender Menge und ausreichenden Drucks sichergestellt. Da gewöhnlich während des größten Teils des Betriebs des Fahrzeugs jedoch keine oder lediglich geringe Lenkbewegungen ausgeführt werden, steht das von der Lenkhilfepumpe geförderte Hydraulikfluid größtenteils zum Antrieb des Klimakompressors und/oder des elektrischen Generators zur Verfügung. So kann die bisher ungenutzte Pumpleistung (Verlustleistung) der Lenkhilfepumpe wenigstens teilweise wirksam genutzt und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
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Insbesondere kann bei der vorliegenden Ausgestaltung selbst in dem Fall, in dem auch der Klimakompressor nicht benötigt wird, die von der Lenkhilfepumpe bereitgestellte Förderleistung des Hydraulikfluids durch den Antrieb des Generators in elektrische Energie umgewandelt werden und für die sofortige Nutzung durch andere elektrische Verbraucher bereitgestellt oder zunächst in einem Akkumulator gespeichert und für die Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung gestellt werden.
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Der Klimakompressor und der Generator können gemeinsam an einem Zweig der Zweigleitung angeschlossen sein (serielle Anordnung) oder an zwei unterschiedlichen Teilzweigen des betreffenden Zweiges der Zweigleitung (parallele Anordnung). Ferner können selbstverständlich auch weitere hydraulische Verbraucher mit der erfindungsgemäßen Anordnung angetrieben werden, zum Beispiel ein mittels eines Hydraulikmotors angetriebener Lüfter eines Kühlkreislaufs des Fahrzeugmotors.
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In bevorzugter Ausführung ist die erfindungsgemäße Anordnung für den Antrieb von hydraulischen Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs derart ausgeführt, dass eine Lenkhilfepumpe einer Servolenkung ein Hydraulikfluid, beispielsweise Hydrauliköl, fördert, ferner die Lenkhilfepumpe kein eigenes Stromregelventil aufweist und mit der Auslaßseite der Lenkhilfepumpe der Eingang einer Zweigleitung mit wenigstens zwei auslaßseitigen Zweigen verbunden ist, wobei mit dem einen auslaßseitigen Zweig ein Lenkventil einer Servolenkung verbunden ist und mit dem anderen auslaßseitigen Zweig ein Klimakompressor und/oder ein elektrischer Generator verbunden ist und das Hydraulikfluid mittels eines in der Zweigleitung angeordneten Schaltventils und/oder Stromregelventils als Steuervorrichtung in die entsprechenden, auslaßseitigen Zweige der Zweigleitung zum Antrieb der jeweiligen Verbraucher geleitet wird. Bevorzugt umfaßt die Steuervorrichtung zum Antrieb des Lenkventils ein Stromregelventil und zum Antrieb des Klimakompressors und/oder Generators ein Schaltventil.
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Natürlich soll die Erfindung auch eine solche Ausgestaltung umfassen, bei welcher von der Lenkhilfepumpe eine Zweigleitung bzw. einer ihrer Zweige abgehen kann, an welchem kein Verbraucher angeschlossen ist, so dass Hydraulikfluid bzw. -öl quasi gemäß der bekannten internen Ölrückführung rückfließen könnte, ohne dass Leistung entnommen wird. Gegenüber der internen Hydraulikölrückführung würde damit der Vorteil erreicht, dass die Lenkhilfepumpe bzw. das Hydraulikfluid nicht so stark aufheizt, wodurch das Risiko des Pumpenfressens geringer ist als bei der bekannten internen Ölrückführung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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