DE10328114B4

DE10328114B4 - Hydraulische Lenkeinrichtung

Info

Publication number: DE10328114B4
Application number: DE10328114A
Authority: DE
Inventors: Poul H. Holm Pedersen; Tom Rudolph; Lee Mahlum; Radoslaw Kornicki; Bjarne Schmidt
Original assignee: Sauer Danfoss ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2023-06-21
Also published as: DE10328114A1; US7159525B2; US20050022522A1

Abstract

Hydraulische Lenkeinrichtung mit einem Lenkmotor, einem Versorgungspfad zwischen einer Druckquelle und dem Lenkmotor, in dem eine Drosselanordnung und ein Meßmotor angeordnet sind, einem Rücklaufpfad zwischen dem Lenkmotor und einer Drucksenke, in dem eine Rücklaufdrossel angeordnet ist, und einem Nebenschlußpfad, der den Versorgungspfad und den Rücklaufpfad am druckquellen- bzw. drucksenkenseitigen Ende verbindet und der eine Nebenschlußdrossel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Last am Lenkmotor (2) der Druckabfall über die Nebenschlußdrossel (A_N) größer ist als die Summe der Druckabfälle zwischen einem Punkt vor der ersten Drossel und einem Punkt hinter der letzten Drossel der Drosselanordnung (A₂, A₃, A₄).

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Lenkeinrichtung mit einem Lenkmotor, einem Versorgungspfad zwischen einer Druckquelle und dem Lenkmotor, in dem eine Drosselanordnung und ein Meßmotor angeordnet sind, einem Rücklaufpfad zwischen dem Lenkmotor und einer Drucksenke, in dem eine Rücklaufdrossel angeordnet ist, und einem Nebenschlußpfad, der den Versorgungspfad und den Rücklaufpfad am druckquellen- bzw. drucksenkenseitigen Ende verbindet und der eine Nebenschlußdrossel aufweist.

Eine derartige Lenkeinrichtung ist beispielsweise von der Sauer-Danfoss (Nordborg) A/S, Nordborg, Dänemark, erhältlich und in DE 199 63 343 A1 beschrieben.

Eine weitere derartige Lenkeinrichtung ist aus DE 195 05 592 C1 bekannt.

Eine derartige Lenkeinrichtung wird hauptsächlich in Traktoren und anderen selbstfahrenden Arbeitsmaschinen verwendet. Die Lenkeinrichtung weist in einem Gehäuse einen äußeren Drehschieber und einen inneren Drehschieber auf, die über eine Feder miteinander verbunden sind. Wenn der innere Drehschieber und der äußere Drehschieber gegeneinander verdreht werden, dann werden verschiedene Drosseln geöffnet oder geschlossen. Beispielsweise wird die Drosselanordnung im Versorgungspfad und die Rücklaufdrossel im Rücklaufpfad geöffnet, während die Nebenschlußdrossel geschlossen wird. Allerdings weisen die Nebenschlußdrossel und die Drosseln der Drosselanordnung bzw. die Rücklaufdrossel einen Überdeckungsbereich auf, in dem alle Drosseln gleichzeitig geöffnet sind. Die Öffnungsweite der Drossel wird von der relativen Winkellage zwischen dem inneren und dem äußeren Drehschieber bestimmt. Hydraulikflüssigkeit fließt durch die Drosselanordnung und den Meßmotor im Versorgungspfad. Der Meßmotor stellt dabei den äußeren Drehschieber wieder relativ zum inneren Drehschieber zurück, d.h. bringt sie in ihre Neutralstellung, so daß man in Abhängigkeit von der Auslenkung eines Lenkhandrades eine definierte Menge von Hydraulikflüssigkeit zum Lenkmotor fließen lassen kann. Dadurch wird sichergestellt, daß die Stellung des gelenkten Organs eine gewisse Beziehung zu der Winkellage des Lenkhandrades hat.

Eine derartige Lenkeinrichtung hat sich bei Landfahrzeugen bewährt. Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn man eine derartige Lenkeinrichtung in einem Motorboot verwenden möchte. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Motorboot für höhere Geschwindigkeiten ausgelegt ist, also Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 km/h und darüber. Bei einem Motorboot wirkt der Lenkmotor auf ein Ruder oder den kompletten Antriebsmo tor mit Antriebspropeller. Wenn das Boot mit einer höheren Geschwindigkeit fährt, dann wirken insbesondere bei einer Kurvenfahrt über das Ruder oder den Antriebsmotor relativ große Kräfte zurück auf den Lenkmotor und damit auf die Lenkeinrichtung. Diese hohen Drücke können auch bei Geradeausfahrten auftreten, weil der Antriebspropeller bei höheren Geschwindigkeiten nicht mehr vollständig in das Wasser eingetaucht ist. In diesem Fall erzeugt der Propeller große Seitendrücke. Wenn man bei einem Landfahrzeug von einer Belastung des Lenkmotors in der Größenordnung von 5 bis 10 bar ausgehen kann, liegt der Druck bei der Verwendung der Lenkeinrichtung in einem Motorboot in der Größenordnung von 35 bis 50 bar.

Diese größeren Drücke lassen sich zwar in der Regel beherrschen. Dies gilt allerdings hauptsächlich für positive Drücke. Schwierigkeiten treten dann auf, wenn negative Lasten auftreten. In diesem Fall können Situationen auftreten, in denen das Ruder schneller bewegt wird, als dies von dem Lenkhandrad oder einer anderen Steuereinrichtung vorgegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Lenkeinrichtung für schnelle Motorboote geeignet zu machen.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Lenkeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei einer Last am Lenkmotor der Druckabfall über die Nebenschlußdrossel größer ist als die Summe der Druckabfälle zwischen einem Punkt vor der ersten Drossel und einem Punkt hinter der letzten Drossel der Drosselanordnung.

Mit dieser Ausbildung kann man insbesondere bei einer negativen Last vermeiden, daß sich das Ruder weiter bewegt, als es durch das Lenkhandrad vorgegeben ist. Durch die Vergrößerung des Druckabfalls über die Nebenschlußdrossel kann man darüber hinaus sicherstellen, daß der Druck über den Meßmotor groß genug ist, um die Reibungskräfte im Zahnsatz zu überwinden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die negativen Kräfte auf den Lenkmotor so groß sind, daß im Bereich des Anschlusses des Versorgungspfades am Lenkmotor ein sehr niedriger Druck (praktisch 0 bar) ansteht. In diesem Fall treten Situationen auf, wo sich der Meßmotor nicht mehr oder nicht mehr schnell genug bewegen kann, um die Drosselanordnung im Versorgungspfad wieder zu schließen.

Bevorzugterweise sind die Nebenschlußdrossel und die Rücklaufdrossel so aufeinander abgestimmt, daß die Rücklaufdrossel bei negativer Last einen Druckabfall erzeugt, der der negativen Last entspricht. In diesem Fall steht der Druckabfall über die Nebenschlußdrossel im Prinzip für die Versorgung des Versorgungspfades zur Verfügung, insbesondere für den Antrieb des Meßmotors.

Bevorzugterweise entspricht der Druckabfall über die Nebenschlußdrossel mindestens dem 2,5-fachen des Druckabfalls über die Drosselanordnung. Die Nebenschlußdrossel hat also einen erheblichen Widerstand.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis eines Überlappungsbereichs zwischen der Drosselanordnung und der Nebenschlußdrossel einerseits und der Rückfaußdrossel und der Nebenschlußdrossel andererseits mindestens 1,25. Der Überlappungsbereich ist ein Bereich, in dem zwei Drosseln gleichzeitig geöffnet sind, also einerseits die Drosselanordnung und die Nebenschlußdrossel bzw. andererseits die Rücklaufdrossel und die Nebenschlußdrossel. Man kann die bevorzugte Ausgestaltung nun dadurch erreichen, daß man gegenüber einer herkömmlichen Lenkeinrichtung die Öffnungskennlinie für die Rückflußdrossel in Richtung auf einen späteren Zeitpunkt verschiebt, die Rückflußdrossel also erst zu einem späteren Zeitpunkt öffnen läßt, und/oder die Nebenschlußdrossel in Richtung auf einen früheren Zeitpunkt verschiebt, die Nebenschlußdrossel also bereits zu einem früheren Zeitpunkt schließen läßt. Dadurch wird zwar das Totband ein wenig größer als normal. Dafür werden aber die Leckagewege in der Lenkeinrichtung kleiner, so daß innere Leckagen vermindert werden können.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis mindestens 1,6. Dies ist zwar ein relativ großer Wert. Der große Wert stellt aber sicher, daß man ein "overrun", also ein Weglaufen des Ruders gegenüber dem Steuerhandrad, mit großer Zuverlässigkeit vermeiden kann. Bei herkömmlichen Lenkeinrichtungen beträgt das Verhältnis etwa 1,1.

Vorzugsweise ist zwischen der Druckquelle und dem Abzweig des Nebenschlußpfades vom Versorgungspfad ein von der Druckquelle weg öffnendes Rückschlagventil angeordnet. Damit ist es möglich, bei großen positiven Kräften am Lenkmotor das "kick-back" zu kompensieren, also eine Reaktionskraft zu vermindern, die darauf beruht, daß der Gegendruck vom Lenkmotor zu hoch ist. Bei positiven Kräften kann nämlich Hydraulikflüssigkeit vom Lenkmotor durch den Meßmotor und die Drosselanordnung zum Druckanschluß zurücklaufen. Wenn ein Rückschlagventil vorhanden ist, dann kann die Hydraulikflüssigkeit diesen Weg nicht wählen. Die Größe der Nebenschlußdrossel wird dann eine entscheidende Bedeutung haben. Wenn die Nebenschlußdrossel einen größeren Strömungswiderstand hat und einen entsprechend großen Druckabfall erzeugt, dann wird diese Reaktion bei großen positiven Kräften nicht auftreten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zwischen der Drucksenke und der Verbindung von Nebenschlußpfad und Rücklaufpfad eine Drossel angeordnet ist. Die oben angeführten Maßnahmen haben unter Umständen zur Folge, daß größere Geräusche entstehen, weil das Druckniveau insgesamt angehoben wird. Diese Geräusche können nun dadurch wieder vermindert werden, daß man in die Leitung zur Drucksenke die Drossel einbaut.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Drossel als Konstantdrossel ausgebildet ist. Die Drossel wird also nicht durch eine Relativdrehung zwischen dem inneren und dem äußeren Drehschieber verstellt, sondern sie hat einen gleichbleibenden Strömungswiderstand. Dies trägt zu einer Geräuschminderung in allen Betriebssituationen bei.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Lenkeinrichtung und
2 Kurvenverläufe von Drosseln in Abhängigkeit von einem Drehwinkel.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lenkeinrichtung 1, die einen Lenkmotor 2 ansteuert. Dargestellt ist eine Situation, in der ein rechter Arbeitsanschluß R mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck versorgt werden kann, während Hydraulikflüssigkeit von einem Arbeitsanschluß L aus dem Lenkmotor 2 austreten kann. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dem Arbeitsanschluß L Hydraulikflüssigkeit unter Druck zuzuführen, wobei dann Hydraulikflüssigkeit über den Arbeitsanschluß R abfließen kann. Die Darstellung ist insoweit vereinfacht, um die nachfolgende Erläuterung ebenfalls einfach halten zu können.
Die Lenkeinrichtung wird von einer Druckquelle P, beispielsweise einer Pumpe, mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck versorgt. Die Druckquelle P ist mit einem Versorgungspfad 3 verbunden, der seinerseits wieder mit dem Arbeitsanschluß R verbunden ist. Im Versorgungspfad 3 ist eine Drosselanordnung angeordnet, die aus drei Drosseln gebildet ist. Diese Drosseln werden mit A₂, A₃, A₄ bezeichnet. Ferner ist in dem Versorgungspfad 3 ein Meßmotor 4 angeordnet.
Vom anderen Arbeitsanschluß L gibt es einen Rücklaufpfad 5 zu einer Drucksenke T, die beispielsweise durch einen Tank gebildet ist. Im Rücklaufpfad 5 ist eine Rücklaufdrossel A₅ angeordnet. Wie oben erwähnt, ist ein entsprechender Versorgungs- und Rücklaufpfad auch für die andere Ansteuerrichtung vorhanden, aus Gründen der Übersicht aber nicht dargestellt.
Am druckquellenseitigen Ende des Versorgungspfades 3, also in Strömungsrichtung durch den Versorgungspfad 3 vor der Drossel A₂ zweigt ein Nebenschlußpfad 6 ab, der in den Rücklaufpfad 5 mündet und zwar in Strömungsrichtung vom Arbeitsanschluß L zur Drucksenke T hinter der Rücklaufdrossel A₅. Im Nebenschlußpfad 6 ist eine Nebenschlußdrossel AN angeordnet.
Zwischen der Druckquelle P und dem Abzweig des Nebenschlußpfades 6 aus dem Versorgungspfad 3 ist ein Rückschlagventil 7 angeordnet, das von der Druckquelle P weg öffnet.
Zwischen der Verbindung zwischen dem Nebenschlußpfad 6 und dem Rücklaufpfad 5 einerseits und der Drucksenke T andererseits ist eine feste Drossel B angeordnet. Diese feste Drossel B kann beispielsweise an einem Anschluß in der Lenkeinheit ausgebildet sein, beispielsweise am Tankanschluß. Es ist aber auch möglich, eine feste Drossel irgendwo anders in einer Tankleitung anzuordnen.
Die Drosseln A₂-A₅ und A_N sind in an sich bekannter Weise durch das Zusammenwirken eines inneren Drehschiebers mit einem äußeren Drehschieber gebildet. Der innere Drehschieber wird relativ zum äußeren Drehschieber verdreht, beispielsweise unter der Wirkung eines Lenkhandrades. In Abhängigkeit von dem Drehwinkel zwischen dem inneren und dem äußeren Drehschieber (der Winkel ist nach rechts aufgetragen) werden die Drosseln A₂-A₄ der Drosselanordnung und die Rücklaufdrossel A₅ zunehmend geöffnet, während die Nebenschlußdrossel A_N zunehmend geschlossen wird. Die Größe der Öffnung ist schematisch nach oben aufgetragen. Um den Unterschied zwischen der vorliegenden Lenkeinrichtung und einer herkömmlichen Lenkeinrichtung deutlich zu machen, sind mit gestrichelten Linien die Öffnungsverläufe A₅', A_N' für eine herkömmliche Lenkeinrichtung dargestellt, beispielsweise eine Lenkeinrichtung des Typs OSPM der Sauer-Danfoss (Nordborg) A/S, Nordborg, Dänemark, während mit durchgezogenen Linien die Öffnungsverläufe der in 1 dargestellten Lenkeinrichtung dargestellt sind. Die Öffnungsverläufe für die Drosseln A₂-A₄ sind in beiden Fällen gleich.
Es ist zu erkennen, daß man den Öffnungsverlauf der Rücklaufdrossel A₅ nach rechts verschiebt. Mit anderen Worten wird die Rücklaufdrossel A₅ später geöffnet, als dies herkömmlich der Fall ist. Dies hat zwar zur Folge, daß das Totband etwas größer ist als bisher. Dafür werden aber Leckagewege in der Lenkeinrichtung 1 klein gehalten, was dazu beiträgt, innere Leckagen zu vermindern.
In entsprechender Weise wird die Schließkurve der Nebenschlußdrossel A_N nach links verschoben, d.h. die Nebenschlußdrossel A_N schließt früher als bisher.
Dies führt dazu, daß ein Überlappungsbereich U, in dem sowohl die Nebenschlußdrossel A_N als auch die Rücklaufdrossel A₅ geöffnet ist, kleiner gemacht wird als bisher. Ein Überlappungsbereich V zwischen der Drosselanordnung mit den Drosseln A₂-A₄ und der Nebenschluß drossel A_N wird zwar ebenfalls verkleinert. Dieser Überlappungsbereich wird durch das Öffnen der am spätesten öffnenden Drossel A₄ bestimmt. Der Überlappungsbereich V ist mindestens um den Faktor 1,25 größer, als der Überlappungsbereich U. Normalerweise wird der Überlappungsbereich V sogar mindestens das 1,6-fache des Überlappungsbereichs U betragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis mehr als 2.
Durch die Verschiebung der Öffnungskurve der Rücklaufdrossel A₅ entsteht bei ansonsten unveränderten Verhältnissen ein größerer Druckabfall, wenn die Lenkung beginnt. Dadurch erreicht man eine Verbesserung bei negativen Lasten, so daß das Ruder des Motorbootes dem Lenkhandrad nicht davonläuft. Der aufgebaute Gegendruck wird nämlich größer als normal.
Durch die Verschiebung der Öffnungskurve der Nebenschlußdrossel A_N nach links wird ebenfalls eine Verbesserung erreicht. Wenn nämlich sehr große negative Kräfte auf den Lenkmotor 2 wirken (dargestellt durch F in 1), dann wird am Arbeitsanschluß R ein relativ kleiner Druck anstehen, beispielsweise 0 bar. Wenn man hier den Strömungswiderstand durch die Nebenschlußdrossel A_N vergrößert, ergibt sich an der Nebenschlußdrossel A_N ein größerer Druckabfall. Dementsprechend steht vor der Drosselanordnung A₂-A₄ ein höherer Druck an, so daß der Druck über den Meßmotor 4 groß genug wird, um die Reibungskräfte im Zahnsatz zu überwinden. Beispielsweise ist ein Mindestdruck von 1 bar erforderlich, um die Zahnräder gegeneinander zu bewegen. Wenn sich der Meßmotor drehen kann, dann ist es möglich, die Lenkung wieder zu schließen, um das Davonlaufen des Ruders gegenüber dem Lenkhandrad zu vermindern.
Außerdem ergibt sich dadurch der Vorteil, daß man bei großen positiven Kräften am Lenkmotor 2 eine Rückwirkung vermindern kann, wenn der Druck am Arbeitsanschluß R größer wird als der von der Druckquelle P zur Verfügung gestellte Druck. In diesem Fall könnte Hydraulikflüssigkeit durch A₄, A₃, den Meßmotor 2 und A₂ laufen. Da aber das Rückschlagventil 7 vorhanden ist, kann die Hydraulikflüssigkeit nicht direkt zur Druckquelle P abfließen, sondern muß über den Nebenschlußpfad 6 mit der Nebenschlußdrossel A_N abfließen.
Zusätzlich zu der Verschiebung der Kennlinien von A₅ und A_N kann man die Kennlinien auch noch flacher machen, vor allem in einem Bereich, der etwa den ersten 20-25% von U entspricht. Dies entspricht etwa der Drehung um 1°. Beispielsweise kann man hier mit einer Neigung von 0,3 mm²/Grad für A_N und 0,6 mm²/Grad für A₅ arbeiten. Im herkömmlichen Fall lagen die Werte bei 1,4 mm²/Grad für A_N' und 1 mm²/Grad für A₅'.
Eine Reduzierung von A_N hat auch Verbesserungen in bezug auf positive Kräfte zur Folge. Wenn man mit einer großen posiven Last auszulenken beginnt und unmittelbar danach in die entgegengesetzte Richtung dreht, hat man das Gefühl, daß das Lenkrad von alleine dreht (dies gilt wiederum, wenn der Druck vom Lenkzylinder höher ist als der Druck, den A_N in dieser Position aufbauen kann). Dies bedeutet wiederum, wenn A_N auch hier für Drücke ausgelegt ist, die dem Zylinderdruck entsprechen oder ein wenig höher sind, dann wird der Zahnradsatz des Meßmotors den Schiebersatz zum Schließen bringen und eine positive Lenkung bewirken.
Man kann die Kennlinien für A₅ und A_N auch einzeln verschieben. Eine Kombination der beiden Verschiebungen ist jedoch von Vorteil.
Die oben geschilderten Maßnahmen haben den Nachteil, daß sie das Druckniveau anheben, was unter Umständen zu Geräuschen führen kann. Das Geräuschproblem wird dadurch gelöst, daß man die feste Drossel B verwendet. Durch diese Drossel B muß die gesamte Hydraulikflüssigkeit fließen, also sowohl die Hydraulikflüssigkeit vom Rücklaufpfad 5 als auch die Hydraulikflüssigkeit vom Nebenschlußpfad 6. Diese Drossel B kann beispielsweise durch eine Verminderung des Durchmessers einer Anschlußbohrung gebildet werden. Man kann aber auch irgendwo anders in einer Tankleitung die Drossel B anordnen.

Claims

Hydraulische Lenkeinrichtung mit einem Lenkmotor, einem Versorgungspfad zwischen einer Druckquelle und dem Lenkmotor, in dem eine Drosselanordnung und ein Meßmotor angeordnet sind, einem Rücklaufpfad zwischen dem Lenkmotor und einer Drucksenke, in dem eine Rücklaufdrossel angeordnet ist, und einem Nebenschlußpfad, der den Versorgungspfad und den Rücklaufpfad am druckquellen- bzw. drucksenkenseitigen Ende verbindet und der eine Nebenschlußdrossel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Last am Lenkmotor (2) der Druckabfall über die Nebenschlußdrossel (A_N) größer ist als die Summe der Druckabfälle zwischen einem Punkt vor der ersten Drossel und einem Punkt hinter der letzten Drossel der Drosselanordnung (A₂, A₃, A₄).
Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußdrossel (A_N) und die Rücklaufdrossel (A₅) so aufeinander abgestimmt sind, daß die Rücklaufdrossel (A₅) bei negativer Last einen Druckabfall erzeugt, der der negativen Last entspricht.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall über die Nebenschlußdrossel (A_N) mindestens dem 2,5-fachen des Druckabfalls über die Drosselanordnung (A₂, A₃, A₄) entspricht.
Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis eines Überlappungsbereichs (V) zwischen der Drosselanordnung (A₂, A₃, A₄) und der Nebenschlußdrossel (A_N) einerseits und der Rückflußdrossel (A₅) und der Nebenschlußdrossel (A_N) andererseits mindestens 1,25 beträgt.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis mindestens 1,6 beträgt.
Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckquelle (P) und dem Abzweig des Nebenschlußpfades (6) vom Versorgungspfad (3) ein von der Druckquelle (P) weg öffnendes Rückschlagventil (7) angeordnet ist.
Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Drucksenke (T) und der Verbindung von Nebenschlußpfad (6) und Rücklaufpfad (5) eine Drossel (B) angeordnet ist.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (B) als Konstantdrossel ausgebildet ist.