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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes
(Volumenstromes) auf der Druckseite einer volumetrischen Pumpe,
z.B. Flügelzellenpumpe.
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Vorrichtungen
dieser Art sind vorzugsweise Teil einer hydraulischen Hilfskraftlenkung
für Kraftfahrzeuge.
Bekanntlich wird durch eine derartige hydraulische Hilfskraftlenkung
die von einem Fahrer zur Durchführungen
von Lenkbewegungen aufzubringende Kraft reduziert bzw. hydraulisch
unterstützt.
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Die
vorliegende Erfindung geht aus vom Gegenstand der
EP 1 108 638 A1 , also von
einer Vorrichtung mit einem Auslassregelventil und mit einem variablen
Volumenstrom-Steuerelement. Das an die Pumpendruckseite angeschlossene
Auslassregelventil bildet eine sich – mit zunehmendem Druck auf der
Pumpendruckseite – vergrößernde Verbindungsöffnung zwischen
der Pumpendruckseite und der Pumpensaugseite. Hierdurch kann von
der zu strömenden
Flüssigkeit
ein überschüssiger Teil
zur Pumpensaugseite zurückgeführt werden.
Der verbleibende Flüssigkeitsanteil
wird durch das genannte variable Volumenstrom-Steuerelement (z.B.
Proportional-Magnetventil) an einen Verbraucher (z.B. Hilfskraftlenkung)
abgegeben. Mit Hilfe des Volumenstrom-Steuerelements werden Volumenstrom
und Flüssigkeitsdruck
beispielsweise in Abhängigkeit vom
Lenkwiderstand und/oder von der Fahrgeschwindigkeit eingestellt.
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Der
Antrieb der volumetrischen Pumpe erfolgt bekanntlich meistens durch
den Fahrzeugmotor. Dabei ist man bestrebt, den Energieaufwand für den Antrieb
der Pumpe möglichst
gering zu halten. Dies wird versucht durch eine gezielte Absenkung
des zum Verbraucher gelangenden Volumenstromes, unter anderem mittels
des variablen Volumenstrom-Steuerelements. Hierdurch reduziert sich
auch der Flüssigkeitsdruck
im Verbraucher, der sogenannte "Verbraucherdruck".
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Bei
der bekannten Vorrichtung ergibt sich hierbei jedoch das Problem,
dass beim Einstellen eines sehr niedrigen Verbraucherdruckes (z.B.
auf einen Wert von weniger als 10 bar) und beim Erreichen eines
besonders hohen Pumpendrehzahlbereiches das Auslassregelventil die
Verbindungsöffnung
zur Pumpensaugseite vollkommen öffnet,
sodass die im Normalzustand vorhandene Wirkung des Steuerkolbens
als Druckwaage aufgehoben ist. Folglich findet keine Regelung der überströmenden Flüssigkeitsmenge
mehr statt; diese Flüssigkeitsmenge
bleibt nun auf ihrem Maximalwert, sodass bei weiter ansteigender
Pumpendrehzahl der zum Verbraucher gelangende Volumenstrom in unerwünschter
Weise stark ansteigt.
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Dabei
besteht die Gefahr, dass die Pumpe zerstört wird, z.B. durch Kavitation,
weil eine nicht mehr ausreichende Flüssigkeitsmenge zur Pumpensaugseite
gelangt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs
beschriebene bekannte Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes
dahingehend weiter zu entwickeln, dass das Einstellen eines sehr
niedrigen Verbraucherdruckes möglich
ist, ohne dass die Gefahr einer Zerstörung der Pumpe im Bereich hoher
Pumpendrehzahlen besteht.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass die am Steuerkolben angeordnete und dem Druck auf der Pumpendruckseite
entgegenwirkende Druckfeder als eine Feder mit einer progressiven
Federkennlinie ausgebildet ist. Diese progressive Druckfeder arbeitet
in einem erste Kennlinienbereich im wesentlichen genauso wie eine
herkömmliche
Feder mit linearer Kennlinie. Sie bewirkt also wie bisher, dass
der zum Verbraucher gelangende Volumenstrom mit zunehmender Pumpendrehzahl
höchstens
geringfügig
ansteigt. Gemäß der Erfindung
sorgt dann ein zweiter Bereich der Federkennlinie, der einen steileren
Anstieg aufweist, dafür, dass
bei einem weiteren Ansteigen der Pumpendrehzahl der Steuerkolben – trotz
relativ niedrigen Verbraucherdruckes – weiterhin als Druckwaage
wirkt und somit eine ordnungsgemäße Regelung
der zur Pumpensaugseite überströmenden Flüssigkeitsmenge
stattfindet. Somit bleibt die Kennlinie "Volumenstrom zum Verbraucher" auch im Bereich
hoher Pumpendrehzahlen relativ flach. Höchstens im Bereich extrem hoher
Pumpendrehzahlen wird es noch zu einem Anstieg des "Volumenstroms zum
Verbraucher" kommen,
der jedoch gegenüber
bisher deutlich reduziert ist.
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Gemäß einem
weiteren Ziel der Erfindung soll die Kennlinie "Volumenstrom zum Verbraucher über Pumpendrehzahl" möglichst
stetig und glatt verlaufen. Um dieses zusätzliche Ziel zu erreichen,
können
im Anschluss an die Pumpendruckseite und in Strömungsrichtung vor dem Auslassregelventil und/oder
vor dem Volumenstrom-Steuerelement
Beruhigungsräume
vorgesehen sein. Hierdurch können etwaige
Turbulenzen abgebaut werden; die Gefahr von Schwingungen im Leitungssystem
wird verringert; Pumpengeräusche
werden abgebaut; die genannte Kennlinie verläuft stetiger und glatter als
bisher.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine schematische Vorrichtung
zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes;
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2 eine mögliche bauliche Gestaltung
der Vorrichtung im Längsschnitt;
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3 einen von 1 abweichende Vorrichtung, und
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4 ein Diagramm mit der Kennlinie "Volumenstrom zum
Verbraucher" über der
Pumpendrehzahl".
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung
zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes
umfasst im wesentlichen ein Auslassregelventil 12 und ein Volumenstrom-Steuerelement 13,
die gemäß 2 in einem Gehäuse 14 angeordnet
sind. Eine Pumpe 10 (von der in 2 nur deren Drehachse 11 schematisch
angedeutet ist) fördert
die Flüssigkeit
durch einen Zulaufkanal 15 in die Vorrichtung. Mit diesem Zulaufkanal 15 kreuzt
sich eine Bohrung 21 in welcher ein Steuerkolben 22 des
Auslassregelventils 12 verschiebbar angeordnet ist. Vorzugsweise
koaxial zum Steuerkolben 22 ist in das Gehäuse 14 ein
Einsatzkörper 16 eingeschraubt;
dieser hat eine zentrale durchgehende Bohrung 20 und im
Bereich des Zulaufkanals 15 einen rohrförmigen Fortsatz 17 mit
einer Querbohrung 18. Am äußeren Ende der Bohrung 20 befindet
sich ein Blendeneinsatz 24, dessen Öffnung durch Verschieben eines
Ventilkörpers 26 mehr oder
weniger verschlossen werden kann. Der Ventilkörper 26 wird vorzugsweise
mittels eines nicht dargestellten Proportional-Elektromagneten betätigt. In diesem
Fall ist also das Volumenstrom-Steuerelement 13 als
ein Proportional-Magnetventil ausgebildet; es liefert einen bestimmten
Flüssigkeitsstrom über einen
Auslasskanal 27 an einen nicht dargestellten Verbraucher.
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Das
Gehäuse 14 weist
im Bereich des Auslassregelventils 12 einen Überströmkanal 25 auf. Dieser
ist zunächst
mittels des Steuerkolbens 22 verschlossen, nämlich solange
der Steuerkolben 22 mittels einer (am Gehäuse 14 abgestützten) Druckfeder 23 in
seiner (in der Zeichnung) linken Endposition gehalten wird. Hier
wirkt der Fortsatz 17 des Einsatzkörpers 16 als Endan schlag
für den
Steuerkolben 22.
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Die
von der Pumpe kommende Flüssigkeit gelangt
durch den Zulaufkanal 15 zunächst in einen Ringraum 19,
der gebildet ist zwischen dem Gehäuse 14 und dem Fortsatz 17.
Zugleich gelangt die Flüssigkeit
durch die Querbohrung 18 in die zentrale Bohrung 20 des
Einsatzkörpers 16.
Sobald der Steuerkolben 22 unter dem im Ringraum 19 und
in der Bohrung 20 herrschenden Flüssigkeitsdruck – entgegen der
Kraft der Druckfeder 23 – verschoben wird, öffnet sich
eine mehr oder weniger große
Verbindung in den Überströmkanal 25.
Hierdurch strömt
ein überschüssiger Teil
der ankommenden Flüssigkeit
durch den Überströmkanal 25 zurück zur Saugseite
der Pumpe.
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Vorgesehen
ist ferner ein – vorzugsweise eine
Drossel 29 aufweisender – Verbindungskanal 28,
welcher den Auslasskanal 27 mit der Bohrung 21 verbindet.
Hierdurch wirkt der im Auslasskanal 27 herrschenden „Verbraucherdruck" auf derjenigen Stirnseite
des Steuerkolbens 22, die auch von der Druckfeder 23 beaufschlagt
ist. Somit wirkt der Steuerkolben 22 im Betrieb als Druckwaage.
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Aus
1 ist ersichtlich, dass
die Druckfeder
23 gemäß der Erfindung
als eine Feder mit progressiver Federkennlinie ausgebildet ist.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Druckfeder
23 als zylindrische Schraubenfeder ausgebildet
und hat, wie an sich aus
DE
199 48 446 A1 bekannt, drei Längenbereiche x, y und z. Dabei
sind der erste und der dritte Längenbereich
mit einer geringeren Steigung gewickelt als der mittlere zweite
Längenbereich
y. Vorzugsweise ist die Druckfeder
23 symmetrisch gestaltet;
d.h. die beiden äußeren Längenbereiche
x und z sind gleich ausgebildet.
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Durch
diesen Aufbau der Druckfeder 23 hat die Federkennlinie
nach einem großen
Federweg, nämlich
wenn die Längenbereiche
x und z auf Block gehen, einen Knick; von hier ab steigt die Federkennlinie
steiler an als zuvor. Mit anderen Worten: an der Stelle des genannten
Knickes beginnt die Federkennlinie steiler anzusteigen als zuvor.
Insgesamt ist also die maximale Federkraft höher als bei einer herkömmlichen
Feder gleicher Größe mit linearer
Kennlinie. Diese höhere
maximale Federkraft bewirkt nun, dass bei relativ niedrigem Verbraucherdruck
(über den
Druck in Leitung 28) und im Bereich sehr hoher Pumpendrehzahlen
der Steuerkolben 22 den Einlass zur Überströmleitung 25 nicht
vollkommen öffnet. Vielmehr
bleibt die Wirkung des Steuerkolbens 22 als Druckwaage
erhalten, sodass sich der „Volumenstrom
zum Verbraucher" mit
zunehmender Pumpendrehzahl weiterhin geregelt und moderat erhöht oder sogar
im wesentlichen gleich bleibt. Dies zeigt in 4 die Kennlinie K „Volumenstrom zum Verbraucher" über der Pumpendrehzahl. Nur
wenn die Pumpendrehzahl ganz extrem hohe Werte annimmt, kann es
noch zu einem steilen Anstieg des „Volumenstromes zum Verbraucher" kommen, wie in 4 bei b angedeutet. Demgegenüber hat
bisher ein steiler Anstieg des Volumenstroms schon früher begonnen, wie
in 4 bei a dargestellt,
sodass der zum Verbraucher gelangende Volumenstrom im oberen Pumpendrehzahl-Bereich
unerwünscht
hohe Werte angenommen hat.
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Die
Erfindung ist bevorzugt anwendbar bei der in den 1 und 2 dargestellten
Anordnung; hier erstreckt sich der Zulaufkanal 15 quer
zu der im wesentlichen gemeinsamen Achse von Auslassregelventil 12 und
Volumenstrom-Steuerelement 13. Dabei wird der durch den
Zulaufkanal ankommende Flüssigkeitsstrom
innerhalb des Gehäuses 14 teils
in Richtung zum Steuerkolben 22 und Teils in die entgegengesetzte
Richtung umgelenkt. Dabei wirken der oben erwähnte Ringraum 19 und
die zentrale Bohrung 20 des Einsatzkörpers 16 als Beruhigungsräume für die auf
den Steuerkolben 22 gerichtete Strömung. Zusätzlich wirkt die genannte zentrale
Bohrung 20 als Beruhigungsraum für die zum Volumenstrom-Steuerelement 13 strömende Flüssigkeit.
Diese (auch in 1 schematisch
angedeuteten) Beruhigungsräume 19 und 20 bewirken
einen verbesserten, insbesondere glatteren Verlauf der Kennlinie
K „Volumenstrom
zum Verbraucher" über Pumpendrehzahl.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch anwendbar bei der in 3 gezeigten Anordnung; hier ist das Volumenstrom-Steuerelement 13 im
wesentlichen fluchtend zum Zulaufkanal 15 angeordnet, während die
Achse des Auslassregelventils 12 (ähnlich wie in 1 und 2)
quer zum Zulaufkanal angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann es
vorteilhaft sein, gemäß der mit
gleichem Anmeldetag eingereichten Patentanmeldung (Unser Aktenzeichen
032a; Anmelder: ZF Lenksysteme; Erfinder: Reichenmiller, Scheurer;
Titel: Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes)
im Bereich des Auslassregelventils 12 eine justierbare
Einrichtung 30 zum Drosseln oder Umlenken des Flüssigkeitsstromes (eine sogenannte „Stromleiteinrichtung") anzuordnen. Hierdurch
kann man eine gerichtete Anströmung
der Stirnseite des Steuerkolbens des Auslassregelventils bewirken
und auf diese Weise Einfluss nehmen auf die Steilheit der Kennlinie
K „Volumenstrom
zum Verbraucher über
der Pumpendrehzahl".
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- 10
- Pumpe
- 11
- Pumpenachse
- 12
- Auslassregelventil
- 13
- Volumenstrom-Steuerelement
- 14
- Gehäuse
- 15
- Zulaufkanal
- 16
- Einsatzkörper
- 17
- Fortsatz
- 18
- Querbohrung
- 19
- erster
Beruhigungsraum (Ringraum)
- 20
- zweiter
Beruhigungsraum (Bohrung)
- 21
- Bohrung
- 22
- Steuerkolben
- 23
- Druckfeder
- 24
- Blendeneinsatz
- 25
- Überströmkanal
- 26
- Ventilkörper
- 27
- Auslasskanal
- 28
- Verbindungskanal
- 29
- Drossel
- 30
- Stromleiteinrichtung
- K
- Kennlinie
- a
- ..u..
steigender Ast
- b
- ..u..
steigender Ast mit prog. Feder
- x
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- y
- Längenbereiche
Druckfeder
- z
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