DE10251127B4

DE10251127B4 - Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE10251127B4
Application number: DE2002151127
Authority: DE
Inventors: Jörg Prof. Linser
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2002-11-02
Filing date: 2002-11-02
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2022-11-03
Also published as: DE10251127A1; EP1511940A1; WO2004042234A1; EP1511940B1

Abstract

Steuereinrichtung für einen hydraulischen Stellmotor mit jeweils zwei gleichsinnig und gleichzeitig steuerbaren, hydraulischen Drosselstellen (D1, D3), (D2, D4) und zwei Ventilkolben (16, 17) in jeweils einer Gehäusebohrung mit folgenden Merkmalen:
– die Ventilkolben (16, 17) sind in der Axialrichtung der Gehäusebohrung verschiebbar angeordnet und trennen jeweils einen ersten Raum von einem zweiten Raum,
– die erste der beiden Stirnflächen eines jeden Ventilkolbens (16, 17) ist als steuernde Stirnfläche (S1, S2) ausgebildet,
– die erste Stirnfläche (S1, S2) oder die ihr zugewandte Stirnfläche der Gehäusebohrung (B1, B2) weist ein ringförmiges Dichtelement (18, 19) auf, das eine innere Teilfläche der ersten Stirnfläche (S1, S2) von einer äußeren Teilfläche trennt,
– die äußere Teilfläche umfasst die erste der Drosselstellen (D1, D4), die mit dem ersten Raum verbunden ist,
– die innere Teilfläche umfasst die zweite Drosselstelle (D2, D3) und
– die Steuereinrichtung bildet eine hydraulische Brückenschaltung,...

Description

Wie in 1 schematisch dargestellt, arbeitet eine hydraulische Steuereinrichtung zur Ansteuerung zweier Druckräume A und B eines hydraulischen Motors in Form eines Arbeitszylinders nach dem Prinzip einer hydraulischen Brückenschaltung. Eine Fluidpumpe P fördert Fluid über Drosselstellen D1, D2, D3 und D4 zu einem Tank T. Die Drosselstellen bilden für das Fluid Durchlässe, deren Durchströmquerschnitte variabel sind.
Die Drosselstellen D1, D2, D3 und D4 arbeiten paarweise zusammen, nämlich D1 mit D3 und D2 mit D4. Wird zum Beispiel der Durchströmquerschnitt von D1 und D3 vermindert, so erhöht sich der Durchströmwiderstand des Fluids, was sich bei konstantem, von der Fluidpumpe P gefördertem Fluidstrom durch einen erhöhten Fluiddruck bemerkbar macht. Diese Situation zeigt 2. Dort ist der erhöhte Fluiddruck durch vergrößerte Strichstärke der Leitungen dargestellt. Über eine Verbindungsleitung 1 wird der erhöhte Fluiddruck dem Druckraum B des Arbeitszylinders mitgeteilt. An einem Kolben K eines Arbeitszylinders entsteht eine Druckkraft F1, die den Kolben K nach links bewegt.
Soll der Kolben K nach rechts bewegt werden, so wird der Durchströmquerschnitt der Drosselstellen D2 und D4 vermindert. Diese Situation ist in 3 dargestellt. In der Folge stellt sich in dem Bereich, der durch vergrößerte Strichstärke gekennzeichnet ist, ein erhöhter Fluiddruck ein. Die dadurch entstehende Druckkraft F2 bewegt den Kolben K nach rechts.
Dem Stand der Technik entsprechen zwei Ausführungsvarianten der beschriebenen Steuereinrichtung:
Erste Variante:
Beim Schieber-Hülse System wird ein mit Schieber bezeichneter Teil mit kreisrundem Querschnitt in einem mit Hülse bezeichneten Teil mit kreisförmigem, innerem Rohrquerschnitt axial oder tangential aus einer definierten Neutralstellung heraus hin- und herbewegt. Am äußeren Umfang des Schiebers und/oder am inneren Umfang der Hülse angebrachte Ausnehmungen lassen infolge der Schieberbewegung definierte Spalte als Drosselstellen D1, D2, D3 und D4 einer hydraulischen Brückenschaltung entstehen.
Zweite Variante:
Sie arbeitet mit sogenannten Sitzventilen als Drosselstellen. Eine derartige Steuereinrichtung kann sich aus vier Modulen M1, M2, M3 und M4 zusammensetzen, die jeweils die Funktion der Drosselstellen D1, D2, D3 und D4 einer hydraulischen Brückenschaltung übernehmen. Die vier Module können baugleich ausgeführt werden. Eines dieser Module ist prinzipiell in 4 dargestellt. Es weist in einem Gehäuse 4 eine Gehäusebohrung auf, in der ein Ventilkolben 5 axial verschiebbar angeordnet ist. Eine Kolbendichtung S unterteilt die Gehäusebohrung in Teilräume, in denen unterschiedliche Drücke herrschen können.
Die Funktion ist folgende: In Neutralstellung strömt Fluid durch einen Einlass 2 ein und strömt durch einen Scheibenringspalt 3 zwischen dem Gehäuse 4 und dem druckfederbelasteten Ventilkolben 5 und verlässt das Modul durch eine Abflussöffnung 6. Aufgrund des Strömungswiderstands des als Drosselstelle wirkenden Scheibenringspaltes 3 ergibt sich im Raum 8 ein etwas höherer Fluiddruck als im Ringraum 7.
Ein geringer Fluidstrom strömt durch eine Bohrung 9 in einen Raum 10 und durch eine Bohrung 11 in einen Raum 12 und von dort über eine Öffnung 13 in den Tank T (1) zurück.
Wird nach 5 eine Drosselnadel 14 durch eine Kraft nach unten in die Bohrung 11 bewegt, so erhöht sich der Durchlaufwiderstand der zwischen der Mündung der Bohrung 11 und der Drosselnadel 14 bestehenden Öffnung, wodurch sich der Fluiddruck in Bohrung 11 und im Raum 10 erhöht. Die auf die obere Stirnfläche des Ventilkolbens 5 wirkende Druckkraft bewegt den Ventilkolben so weit nach unten, bis sich ein Gleichgewicht mit der auf die untere Stirnseite wirkenden Druckkraft eingestellt hat. Über die Eintauchtiefe der Drosselnadel 14 in die Bohrung 11 kann auf diese Weise der Fluiddruck im Einlass 2 gesteuert werden, wobei dieser Fluiddruck proportional zu der an der Drosselnadel 14 aufzuwendenden Kraft ist.
Dem Stand der Technik entsprechen Steuereinrichtungen, bei denen jede der Drosselstellen D1, D2, D3 und D4 einer hydraulischen Brückenschaltung durch eines der baugleichen Module M1, M2, M3 und M4 ersetzt ist.
Eine Steuereinrichtung mit modularem Aufbau ist z. B. aus der DE 100 06 141 A1 bekannt. Dort wird zu gesteuerten Drosselung des Volumenstroms des hydraulischen Druckmedium ein zweiseitiger, symmetrischer Aufbau vorgeschlagen, bei dem je ein aktiv gesteuertes Ventil (siehe "48" in dortiger Figur) in Wirkverbindung mit je einem passiven Ventil ("49") steht. Die Konstruktion ist sehr kompakt aufgebaut und hat u. a. den Vorteil, dass der Fertigungs- und Montageaufwand erheblich reduziert wird. Der Aufbau ist jedoch nicht vollsymmetrisch, da die aktiven Ventile komplexer aufgebaut sind als die passiven Ventile. Dies ist deshalb erforderlich, weil jedes aktive Ventil gleichzeitig das ihm zugeordnete passive Ventil steuern muss.
Aus der DE 196 01 662 A1 ist eine als Servoventil bezeichnete Steuereinrichtung bekannt, die zwei baugleiche Module hat. Diese werden dort als "Teilventile" oder auch "Kartuschen 4 und 5" bezeichnet (siehe dortige Beschreibung Spalte 1, Zeilen 50 ff. sowie 3). Jede der Kartuschen umfasst zwei Drosseln 1 und 2a bzw. 1a und 2, die Teil einer hydraulischen Brückenschaltung sind (1 und 2). Die Konstruktion hat u. a. den Vorteil, dass sowohl Kartuschen mit offener Mitte als auch Kartuschen mit geschlossener Mitte verwendet werden können (siehe Spalte 2, Zeilen 65 ff.). Die jeweils gleichsinnig gesteuerten Drosselstellen, wie z. B. die Drosseln 1 und 1a (s. 1 und 2), befinden sich jedoch räumlich getrennt voneinander in jeweils einem der Teilventile (Kartusche 4 bzw. 5 in 3). Somit erfordert die Konstruktion eine möglichst präzise symmetrische Ventilsteuerung zu beiden Seiten hin, damit die Brückenschaltung optimal wirken kann.
Die DE 42 38 331 A1 beschreibt ein Servoventil, bei dem ein Ventilschieber mit senkrechten Stirnflächen vorgesehen ist, in welche Dichtelemente (siehe dortige Spalte 1, Zeilen 34 ff. und "Nutringe 3a und 3b" in der Figur) eingelassen sind. Diese Dichtelemente dichten gegen das Gehäuse ab. Hinsichtlich der Konstruktion von Drosselstellen wird dort nichts Näheres beschrieben. Die Beschreibung für den Aufbau einer hydraulischen Brücke fehlt dort gänzlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung mit Drosselstellen konstruktiv zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird der Aufbau einer Steuereinrichtung vereinfacht, die wenigstens zwei gleichsinnig steuerbare Drosselstellen aufweist, indem die funktionell miteinander arbeitenden Drosselstellen, also D1 mit D3 und/oder D2 mit D4, zu einer räumlichen und funktionellen Einheit zusammengefasst werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den weiteren Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
6: Eine prinzipielle Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung in einer ersten Schaltsituation,
7: eine zweite Schaltsituation,
8: eine abgewandelte Steuereinrichtung,
Eine Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Bauweise stellt 6 dar. Die Module M1 und M3 der vorangegangenen Figuren sind zum Modul M5 und die Module M2 und M4 sind zum Modul M6 zusammengefasst. Es ergeben sich die in 6 dargestellten Drosselstellen D1, D2, D3 und D4 einer hydraulischen Brückenschaltung als kreisförmige Scheibenringspalte von geringer und variabler Höhe zwischen einem Gehäuse 15 und steuernden Stirnflächen S1 und S2 von Ventilkolben 16 und 17. Die ständige hydraulische Trennung zwischen den Drosselstellen D1 und D3 bzw. D4 und D2 wird durch jeweils ein konzentrisch zwischen den jeweils zwei Scheibenringspalten einer steuernden Stirnfläche eingelassenes, elastisches Dichtelement 18 bzw. 19 bewirkt. In 6 als Striche dargestellte Leitungen (z. B.: L) können in Wirklichkeit als Gehäusebohrungen ausgeführt sein. Um die scheibenringförmigen Drosselstellen zu bilden und um das Fluid zu- und abzuführen, sind jeweils Ausnehmungen in Gestalt von zwei Ringnuten 20 und 21 bzw. 22 und 23 konzentrisch in den Stirnflächen B1, B2 der Gehäusebohrungen bzw. (in einer anderen hier nicht dargestellten Ausführung) in den steuernden Stirnflächen der Ventilkolben 16 und 17 eingelassen.
In 7 ist eine andere Schaltsituation der Steuereinrichtung nach 6 dargestellt. Vergrößerte Strichstärken geben Bereiche der Leitungen mit erhöhtem Fluiddruck an. Eine Drosselnadel 24 wird durch eine Kraft in die Mündung einer Drosselbohrung 25 bewegt. Der über eine Bohrung 26 zur Drosselbohrung 25 strömende geringe Fluidstrom wird durch den verringerten Durchströmquerschnitt zwischen Drosselnadel 24 und Mündung der Drosselbohrung 25 auf einen höheren Fluiddruck gebracht.
Es ergibt sich ein Gleichgewicht der auf die rechte (nicht steuernde) und linke (steuernde) Stirnfläche S2 des Ventilkolbens 17 wirkenden Druckkräfte. Aufgrund der kleineren druckbeaufschlagten Fläche auf der linken Stirnfläche des Ventilkolbens 17 muss dabei der links wirkende Fluiddruck etwas höher sein als der auf der rechten, größeren druckbeaufschlagten Stirnfläche des Ventilkolbens 17. Mit zunehmender Eintauchtiefe der Drosselnadel 24 in die Mündung der Drosselbohrung 25 nimmt letzten Endes der Systemdruck, also der Fluiddruck in einem Raum 30 zu. Dieser Druck überträgt sich über die Drosselstelle D1 auf den Druckraum A.
Wird in 6 eine linke Drosselnadel 24a in die Mündung einer Drosselbohrung 25a geschoben, so wird der über eine Bohrung 28 zur Drosselbohrung 25a strömende geringe Fluidstrom durch Verringerung des Durchströmquerschnittes zwischen Drosselnadel 24a und Mündung der Drosselbohrung 25a auf einen höheren Fluiddruck gebracht. Mit zunehmender Eintauchtiefe der Drosselnadel 24a in die Mündung der Drosselbohrung 25a nimmt der Systemdruck, also der Fluiddruck in einem Ringraum 40 und im Raum 30 zu. Dieser Druck überträgt sich über die Drosselstelle D2 und die Ringnut 22 auf den Druckraum B.
Die Bohrungen 26, 28 dienen der so genannten Vorsteuerung, die an sich bekannt ist. Bei einer anderen Ausführungsform können die beiden Ventilkolben 16 und 17 mit ihren steuernden Stirnflächen S1, S2 auch ohne den Effekt der oben beschriebenen Ventilvorsteuerung gegen die ihnen zugewandten Stirnflächen der Gehäusebohrungen gedrückt werden. Die hierzu erforderliche Betätigungskraft kann dann mechanisch, elektrisch oder pneumatisch aufgebracht werden.
Bei der vorgesteuerten und oben beschriebenen Version wird, wie in 7 dargestellt (also bei der geringst möglichen Drosselung durch die Drosselstellen D1, D3), der nicht aktivierte, also nicht angesteuerte Ventilkolben 16 mit seiner linken, rückseitigen Stirnfläche gegen eine Anlagefläche 27 gedrückt. Dadurch wird hier die Mündung der Bohrung 28 verschlossen. Das hat den Vorteil, dass das Fluid bei erhöhtem Fluiddruck nicht durch die Bohrung 28, die Drosselbohrung 25a und über die Leitung 29 in den Tank T zurückfließt. Dadurch wird ein unnötiger Leckfluidverlust vermieden. Wird im anderen Ansteuerungsfall der Ventilkolben 16 aktiviert, so geschieht Entsprechendes mit dem dann nicht aktivierten Ventilkolben 17, der durch den Systemdruck so nach rechts gegen seine stirnseitige Anlagefläche 39 gedrückt wird, dass hier mit dem oben beschriebenen Effekt die Mündung der Bohrung 26 verschlossen wird.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Vorsteuerung der Steuereinrichtung nach 8 sind die Räume 36 und 38 zwischen den hinteren (das heißt nicht steuernden) Stirnflächen der Ventilkolben 16a und 17a und den Anlageflächen 27 und 39 über Verbindungsleitungen 32 und 33 mit der Fluidpumpe P verbunden. Des Weiteren sind die Ventilkolben 16a und 17a jeweils mit einem ringförmigen Bund (Ringrippe) 35 und 34 ausgeführt, der im exemplarischen Falle der Anlage des Ventilkolbens 16a an der Anlagefläche 27 eine eindeutige hydraulische Trennung zwischen den Räumen 36 und 37 ergibt und somit in der in 8 dargestellten Schaltsituation den Fluidzulauf vom Raum 36 über den Raum 37 zur Drosselbohrung 31 verschließt. Dadurch wird wie in der weiter oben beschriebenen Version der Vorsteuerung ein unnötiger Leckfluidverlust vermieden.
Zusammengefasst lässt sich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung folgendermaßen beschreiben:
Steuereinrichtung, die in einer hydraulischen Brückenschaltung einsetzbar ist, wobei deren vier Drosselstellen als vier Sitzventilmodule ausgeführt sind und die jeweils zwei in der Brückenschaltung zusammenarbeitenden und einander diagonal gegenüberliegenden Module räumlich zusammengefasst sind. Dazu sind in jeweils einer steuernden Stirnfläche S1, S2 von zwei trommelförmigen und in zwei Gehäusebohrungen axial beweglichen Ventilkolben 16, 17 zwei konzentrische Ringnuten 20, 21 bzw. 22, 23 mit einem dazwischen konzentrisch angeordneten Dichtelement 18, 19 eingelassen, wodurch sich jeweils zwischen dieser ventilkolbenseitigen Stirnfläche S1 bzw. S2 und der ihr zugewandten gehäusebohrungsseitigen Stirnfläche zwei kreisringförmige Drosselspalte geringer und variabler Höhe ergeben, die als die genannten räumlich zusammengefassten Module wirken.
Die Bewegung der Ventilkolben kann über ein sogenanntes Ventilvorsteuerungsprinzip oder durch Aufbringen von Kräften von außen erfolgen. In einer wahlweisen Ausführung können die zwei konzentrischen Ringnuten auch jeweils in der gehäusebohrungsseitigen Stirnfläche eingelassen sein.
Erfolgt die Bewegung der Ventilkolben nach dem Vorsteuerungsprinzip, dann wird der Vorsteuerung das Fluid durch eine Bohrung 28 bzw. 26 in den Ventilkolben 16 bzw. 17 oder jeweils über eine gesonderte Leitung 32 bzw. 33 zugeführt, deren Mündungen auf der rückwärtigen Stirnfläche der Ventilkolben so angeordnet sind, dass sie durch Anlage der Ventilkolben an jeweils eine die Bewegung begrenzende Anlagefläche 27 verschlossen werden, um unnötige Leckfluidströme zu vermeiden, wenn der jeweils momentan nicht aktivierte Ventilkolben durch erhöhten Fluiddruck gegen diese Anlagefläche gedrückt wird.

Claims

Steuereinrichtung für einen hydraulischen Stellmotor mit jeweils zwei gleichsinnig und gleichzeitig steuerbaren, hydraulischen Drosselstellen (D1, D3), (D2, D4) und zwei Ventilkolben (16, 17) in jeweils einer Gehäusebohrung mit folgenden Merkmalen: – die Ventilkolben (16, 17) sind in der Axialrichtung der Gehäusebohrung verschiebbar angeordnet und trennen jeweils einen ersten Raum von einem zweiten Raum, – die erste der beiden Stirnflächen eines jeden Ventilkolbens (16, 17) ist als steuernde Stirnfläche (S1, S2) ausgebildet, – die erste Stirnfläche (S1, S2) oder die ihr zugewandte Stirnfläche der Gehäusebohrung (B1, B2) weist ein ringförmiges Dichtelement (18, 19) auf, das eine innere Teilfläche der ersten Stirnfläche (S1, S2) von einer äußeren Teilfläche trennt, – die äußere Teilfläche umfasst die erste der Drosselstellen (D1, D4), die mit dem ersten Raum verbunden ist, – die innere Teilfläche umfasst die zweite Drosselstelle (D2, D3) und – die Steuereinrichtung bildet eine hydraulische Brückenschaltung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – in den Ventilkolben (16, 17) ist eine Bohrung (26, 28) eingebracht, die Bohrung verbindet den zwischen der steuernden Stirnfläche (S1, S2) des Ventilkolbens (16, 17) und dem Gehäuse (15) vorgesehenen Raum für zulaufendes Fluid mit der rückwärtigen und nicht steuernden Stirnfläche des Ventilkolbens (16, 17), – die hier vorgesehene Mündung dieser Bohrung (26, 28) wird dann verschlossen, wenn der Ventilkolben (16, 17) mit seiner nicht steuernden Stirnfläche gegen eine dort vorgesehene Anlagefläche (27, 39) gedrückt wird.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die steuernde Stirnfläche (S1, S2) des Ventilkolbens (16, 17) oder in die zugewandte Stirnfläche (B1, B2) der Gehäusebohrung zwei Ausnehmungen (20, 21 und 22, 23) für die Druckbeaufschlagung durch ein Fluid eingelassen sind, zwischen denen sich das Dichtelement (18, 19) befindet und dass sich zwischen der steuernde Stirnfläche (S1, S2) und der gehäuseseitigen Anlagefläche (B1, B2) scheibenringförmige Spalte geringer und variabler Höhe befinden, die als hydraulische Drosselstellen (D1, D3, D2, D4) dienen.
Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20, 21 und 22, 23) konzentrische, ringförmige Nuten sind.
Steuereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drosselstellen (D1 und D3 oder D2 und D4) in der hydraulischen Brückenschaltung einander diagonal gegenüberliegenden und gleichsinnig zusammenarbeiten.
Steuereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (16, 17) auf seiner der steuernden Stirnfläche (S1, S2) gegenüberliegenden Stirnfläche so in Form einer sogenannten Vorsteuerung mit einem Teil des Fluiddrucks einer Fluidpumpe (P) beaufschlagbar ist, dass der Ventilkolben (16, 17) mit seiner steuernden Stirnfläche (S1, 82) gegen die zugewandte Stirnfläche (B1, B2) der Gehäusebohrung gedrückt wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (16, 17) durch eine von außen aufbringbare mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Kraft mit seiner steuernden Stirnfläche (S1, S2) gegen die zugewandte Stirnfläche (B1, B2) der Gehäusebohrung gedrückt wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (36, 38) zwischen einem Teil der nicht steuernden Stirnfläche des Ventilkolbens (16, 17) und einer zugewandten Anlagefläche (27, 39) mit der Fluidpumpe (P) verbunden ist und der genannte Teil durch einen erhabenen Bund (34, 35) auf der nicht steuernden Stirnfläche oder auf der Anlagefläche (27, 39) dichtend anliegt und zwei Räume trennt, von denen der nicht mit der Pumpe direkt verbundene mit der hydraulischen Vorsteuerung verbunden ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (34, 35) im Wesentlichen konzentrisch zur Längsachse des Ventilkolbens (16, 17) angeordnet ist.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ventilkolben (16, 17) in einem gemeinsamen Gehäuse (15) vereinigt sind.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten zwei Ventilkolben (16, 17) jeweils getrennt in jeweils einem Gehäuse untergebracht sind.