DE1675494A1

DE1675494A1 - Kolbenschieberventil

Info

Publication number: DE1675494A1
Application number: DE19681675494
Authority: DE
Inventors: Adams Frederick John
Original assignee: TRW Steering Systems Ltd
Current assignee: TRW Steering Systems Ltd
Priority date: 1967-03-22
Filing date: 1968-02-21
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1210382A; US3492817A; JPS4931490B1

Description

Kolbenschieberventil

Die Erfindung betrifft Kolbenschieberventile und Servolenkungen und ähnliche Steuersysteme, welche während ihrer Betätigung den Gebrauch eines Kolbenschieberventils umfassen, das sich in dem einen oder anderen Bewegungssinn in Übereinstimmung mit dem Bewegungssinn der Lenkung (oder einer ähnlichen Zweiweg-Steuerfunktion) bewegt. Die Erfindung betrifft insbesondere Lenkungssysteme, welche sowohl eine Versorgung durch eine Handpumpe als auch durch eine kraftbetätigte Pumpe besitzen und in welchen ein durch eine Bedienungsperson in einem oder anderem Sinne auf ein Lenkrad oder eine entsprechende Steuervorrichtung ausgeübtes Drehmoment einen J¹IuB eines unter Druck stehenden Strömungsmittels in entsprechendem Sinn zu einem doppelt wirkenden Servo-.notor verursacht.

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Im Interesse der Kürze wird die Erfindung nachfolgend in Zusammenhang mit einem hydraulischen Servolenkungssystem erläutert. Die Erfindung umfaßt ein Kolbenschieberventil, welches Merkmale umfaßt, die es für hydraulische oder pneumsbische Systeme anwendbar macht, welche völlig verschieden sind von dem nachfolgend beschriebenen Lenkungssystem, wenn ähnliche Anforderungen erfüllt werden müssen.

Bei der Anwendung auf ein Lenkungssystem sucht die Erfindung den üblichen Anforderungen solcher Systeme hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, der Sicherheit und der Präzision der Wirkungsweise zu erfüllen; es sollen weiterhin kleinere Steuerbewegungen nur durch die Bedienungsperson durchführbar sein und schließlich soll die Möglichkeit bestehen, daß eine Kraftrückwirkung von den Fahrzeugrädern auftreten kann, unabhängig davon, ob die Servounterstützung wirksam ist oder nicht, um der Bedienungsperson ein entsprechendes Maß von "Gefühl" zu geben.

Die Erfindung liegt in einem Kolbenschieberventil und in einer Servolenkung oder einem ähnlichen Kontrollsystem, welches ein solches Ventil umfaßt.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Kolbenschieberventil ein festes Ventilgehäuse mit Vorsprüngen und Ventilkammern, welche entsprechenden Vorsprüngen und Ventilkammern eines verschieblich darin angeordneten Kolbenschiebers zugeordnet sind, wobei der Kolbenschieber relativ auf einer Ventilstange- verschieblich ist, welche selbst verschieblich im Gehäuse gelagert ist, und wobei durch eine solche Relatiwerschiebung der Strömungsmittelfluß zwischen den Ventilkammern und einer Durchtrittsöffnung

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im Kolbenschieber gesteuert wird, wobei ferner die Relativverschiebung selbst durch eine von außen gesteuerte Axialbewegung der Ventilstange bewirkt wird. Ein solches Ventil umfaßt vorzugsweise ein festes Ventilgehäuse mit VorSprüngen und Ventilkammern, welche entsprechenden VorSprüngen und Ventilkammern eines verschieblich darin angeordneten Kolbenschiebers zugeordnet sind, wobei der Kolbenschieber zwei Kolbenschieberelemente umfaßt, welche ko-axial relativ zu einer Ventilstange verschieblich sind, welche Ventilstange verschieblich im Gehäuse gelagert und durch äußere Steuerung betätigbar ist, wobei einander benachbarte Enden dieser Kolbenschieberelemente miteinander ventilartig zusammenwirken, um den Strömungsmittelfluß von einer mittleren Ventilkammer durch eine von den Kolbenschieberelementen eingeschlossene Durchtrittsöffnung zu steuern, welche andere Ventilkammern miteinander verbindet. Die einander benachbarten Enden der Kolbenschieberelemente sind geschliffen oder auf andere Weise bearbeitet, sodaß sie eine Abdichtung gegen den Strömungsmittelfluß darstellen, und ein radiales Spiel zwischen den Kolbenschieberelementen und der Ventilstange bildet eine Durchtrittsöffnung für das Strömungsmittel, zu welcher die benachbarten Enden der Kolbenschieberelemente Zutritt geben, wenn diese Enden einen Abstand voneinander aufweisen. Die benachbarten Enden können so ausgebildet sein, daß sie einandergegenüberliegende Druckflächen bilden, sodaß ein in Bezug auf den Kolbenschieber äußerer Strömungsmitteldruck diese Elemente auseinanderdrücken kann, oder eine solche Wirkung kann durch eine Feder geschaffen werden. Andere Merkmale des Ventils ergeben sich

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aus den Ansprüchen, wie auch ein System, welches Teil der Erfindung bildet.

Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung liegt in einem Kolbenschieberventil, dessen mit Vorsprüngen und Ventilkammern versehener Kolbenschieber auf einer Ventilstange beweglich ist und bei welchem eine solche Relativbewegung eine Durchtrittsöffnung für ein Strömungsmittel öffnet und schließt, welche Durchtrittsöffnung wenigstens von einer der Ventilkammern zu wenigstens einer weiteren führt. Vorzugsweise besteht das Kolbenschieberventil selbst aus zwei Teilen, welche axial beweglich zwischen solchen Grenzen auf einer Ventilstange angeordnet sind, daß sie die Bildung eines Spaltes zwischen ihren benachbarten Enden ermöglichen, wobei der Spalt selbst ein Ventil zur Steuerung des Strömungsmitteldurchtritts bildet. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß eine Bewegung der Ventilstange in der einen oder anderen Bewegungsrichtung das eine oder andere der beiden Kolbenschieberelemente erfaßt, um es in einen, den Spalt schließenden Kontakt mit dem anderen Element zu bringen. Wenn das Ventil in seiner neutralen Stellung ist, können die beiden Elemente durch eine Feder auseinandergehalten werden, oder ihre Ausbildung kann so getroffen sein, daß der Strömungsmitteldruck sie auseinander drückt. Wenn ein solches Ventil in Zusammenhang mit einem Lenkgetriebe angewendet wird, ist es vorzugsweise so angeordnet, daß seine Bewegungen insgesamt durch den Bewegungssinn und die Größe des von der Bedienungsperson ausgeübten Drehmomentes bestimmt werden; zu diesem Zweck kann die Ventilstange durch solche Mittel betätigt werden, wie sie beispielsweise in der Patentanmeldung C 44 403 II/63c beschrieben sind.

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Die so geschaffene Ausführungsform eines Kolbenschieberventils umfaßt vorzugsweise ein Kolbenschieberventil mit einem üblichen Gehäuse in Form eines Hohlzylinders mit radialen Heilen, einer axial darin verschieblich angeordneten Kolbenstange und zwei Ventilelementen, deren jedes von einem auf der Ventilstange verschieblich angeordneten und mit äußeren Vorsprüngen und Ventilkammern versehenen hohlzylindrischen Teil gebildet wird, wobei in der mittleren Ventilkammer des Ventils die beiden Elemente trennbar sind, wobei ferner der Spalt zwischen ihren Enden (im Falle der Trennung) eine Durchtrittsöffnung für ein Strömungsmittel bildet, um diese Ventilkammer mit den beiden anderen Kammern zu verbinden, wobei schließlich diese Durchtrittsöffnung geschlossen wird und die beiden Elemente zusammen als ein normaler, einziger Kolbenschieber wirksam werden, wenn durch die Bewegungskraft der Ventilstange die beiden Elemente zusammengeführt werden und der Spalt geschlossen ist.

In einem ein derartiges Ventil umfassenden Lenkungssystem sieht die Erfindung eine Zweiweg-Handpumpe (die Lenlaad-Pumpe der Bedienungsperson) vor, welche Mit zwei Ventilkammern des Kolbenschieberventiles verbunden ist, eine kraftbetätige Pumpe, welche Strömungsmittel aus einem Vorratsbehälter und durch ein Rückschlagventil in die mittlere Ventilkammer des Kolbenschieberventils fördert, eine fiückführleitung von einer Endkammer des Ventils zum Vorratsbehälter und die üblichen Zweiweg-Leitungen aus dem Ventil zum doppelt wirkenden Lenkmotor. Die vorstehend erwähnte Endkammer ist die Kammer, mit welcher die mittlere Kammer verbunden ist, wenn die beiden Kolbenschieberelemente voneinander getrennt sind. Dieses System, wie auch das neue Kolbenschieberventil, wird anhand der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels besser verständlich werden.

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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zweiweg-Handpumpe mit 1 bezeichnet und die Anordnung ist so zu verstehen, daß die Antriebsspindel (also die Lenksäule) die auf das Drehmoment ansprechenden Mittel mit einschließt, welche das Kolbenschieberventil in Übereinstimmung mit dem Richtungssinn und der Größe der von der Bedienungsperson ausgeübten Kraft betätigen; wobei eine derartige Verbindung durch die strichpunktierte Linie schematisch angedeutet ist. Die beiden Leitungen 3 A und 3 B verbinden die Pumpe 1 mit den beiden inneren Ventilkammern 4- A und 4- B des Kolbenschieberventiles über das feste Ventilgehäuse 5- Die beiden äußeren Ventilkammern 4- 0 und 4 D des Ventils sind durch Leitungen 6 A und 6 B mit den beiden Seiten eines doppelt wirkenden Druckkolbenlenkmotors 7 verbunden. Die Ventileinheit umfaßt eine Ventilstange 8, welche - wie vorstehend beschrieben - mit der Spindel der Handpumpe verbunden ist und bei 8 A in ein Ende des Gehäuses 5 abgedichtet eingeführt ist. Auf der Ventilstange 8 sind zwei Ventilelemente 9 und 10 verschieblich gelagert. Diese Ventilelemente sind hohlzylindrisch ausgebildet und mit äußeren Vorsprüngen versehen, welche Ventilkammern bilden und sind mit engem Sitz verschieblich in die üblichen Vorsprünge des Gehäuses 5 eingefügt. Die axiale Bewegungsfreiheit der Ventilelemente 9 und 10 ist an einem Ende durch eine Mutter 11 auf dem Ende der Ventilstange 8 beschränkt und am anderen Ende bei 11 B durch eine auf der Ventilstange 8 ausgebildete Schulter. Die mittlere Ventilkammer 11 A des Ventils ist über eine Leitung 18 mit der Ausgangsseite einer motorgetriebenen Servopumpe versehen, welche hydraulisches Strömungsmittel aus einem Vorratsbehälter 13 erhält, zu welchem eine

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Rohrleitung 14 dieses Strömungsmittel zurückführt.

Die Leitung 14 kommt aus einer Endkammer 15 cLes Ventils.

In der mittleren Ventilkammer 11 A sind die benachbarten Enden der Ventilelemente 9 und ^O₅ entweder,wie gezeigt, leicht voneinander getrennt und bilden einen Spalt zwischen sich, welcher nach einer Durchtrittsöffnung zu für das Strömungsmittel offen steht, welche in unterbrochenen Linien innerhalb der Elemente 10 und gezeigt ist; die Durchtrittsöffnung 17 besitzt Öffnungen 17 A durch die Elemente 9 und 10 in Sichtung auf die Endkammer 15 und auf eine entsprechende Endkammer 15 A am anderen Ende des Ventils. Die Durchtrittsöffnung 17» kann einfach - wie gezeigt - aus einem seitenradialen Spiel zwischen der Ventilstange 8 und den Elementen 9 und bestehen, in welchem diese Elemente hinsichtlich ihrer Gleitführung vollständig von ihrer Passung im Gehäuse abhängig sind, oder die Durchtrittsöffnung 17 kann durch eine oder mehrere Längsrillen oder Bohrungen in der Ventilstange 8 gebildet werden. Die miteinander zusammenwirkenden Enden der Elemente 9 und 10, welche, sofern sie einen Abstand voneinander einhalten, den Spalt 16 bilden, sind durch entsprechendes Schleifen einander genau angepaßt oder es kann eine Dichtung aus einem geeigneten, harten Dichtungsmaterial vorgesehen sein, um beim Schließen des Spaltes eine ausreichende Dichtung gegenüber dem Druck des Strömungsmittels zu gewährleisten.

Wenn sich die Ventilelemente, wie gezeigt, in ihrer neutralen Stellung befinden, in welcher sie an der Mutter 11 bzw. an der Schulter 11 B anliegen, führt der Strom des Strömungsmittels von der Pumpe 12 durch den Spalt 16 und somit zurück zum Vorratsbehälter über die Leitungen 17, 17 A, 15 und 14.

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Unter diesen Bedingungen ist die Handpumpe 1 direkt mit dem Motor 7 über die Leitung 3 A, 4 A, 6 A und über die Leitungen 3 B, 4- B und 6 B verbunden. Eine Handlenkung ist nun wirksam und die Rückwirkung von den Fahrzeugrädern auf den Lenker ist direkt, sodaß er die Lenkung "erfühlt". Wenn das Lenkmoment ein vorgegebenes Minimum erreicht, wird das mechanische "Glied", welches durch die Linie 2 dargestellt ist, wirksam und die Ventilstange 8 wird in entsprechendem Sinn und in entsprechendem Ausmaß bewegt. Nimmt man an, daß das Ventilmoment in der Zeichnung nach rechts wirkt, so wird das an der Mutter 11 anliegende Element 9 nach rechts bewegt und schließt den Spalt 16. Gleichzeitig wird die Ventilkammer 4 A nach 11 A geöffnet und 4 C nach 15 A, während'4 A von 4 B abgetrennt wird. Das unter Druck stehende Strömungsmittel aus der Motorpumpe 12 wird deshalb über die Leitung 3 A zu und durch die Handpumpe 1 geleitet, welche sie über die Leitung 3 B, 4 B und 6 B dem Motor 7 zumißt, wodurch unter vollständiger Steuerung durch die Bedienungsperson die Servowirkung bewirkt wird. Das Ausströmen aus dem Motor 7 erfolgt über die Leitung 6 A, 4 C, 15 A, 17, 15 und 14 zurück zum Vorratsbehälter. Es wird auf diese Weise eine Servounterstützung in einer Richtung bewirkt, es ist aber offensichtlich, daß in genau entgegengesetzter Weise auch eine Servowirkung in entgegengesetztem Sinne bewirkt werden kann.

Wenn auch eine Feder eingesetzt werden kann, um die Elemente 9 und 10 auseinanderzudrücken, so ist aus der Zeichnung doch ersichtlich, daß der Spalt 16 tatsächlich durch einen abgesetzten oder ausgenommenen Kreisring gebildet wird, wobei Jeder Druck in der Kammer 11 A dazu neigt, die Elemente zu trennen und

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somit den Spalt 16 zu öffnen. Diese Lösung kann ausreichend sein, "es hängt jedoch von den jeweiligen Konstruktionseinzelheiten, den Seibungswerten und anderen Elementen ab, zu entscheiden, ob eine Feder erforderlich ist oder nicht. Die Leitung 14- ist über eine Zweigleitung 18 B mit der Leitung 18 über ein Rückschlagventil 18 A verbunden. Damit wird der lall einer Störung der Motorpumpe berücksichtigt, d.h. eine Mickkehr zur reinen Handsteuerung. In einem solchen Jail kann die Leitung 14- durch die Wirkung der Handpumpe einem wesentlichen Unterdruck ausgesetzt werden, und die Saugwirkung durch die Motorpumpe kann in dem Strömungsmittel eine Kavitation bewirken. Das Ventil 18 B stellt sicher, daß beim Auftreten einer solchen Saugwirkung anstatt durch die als fehlerhaft angenommene Motorpumpe das Strömungsmittel durch die Leitung 14-aus dem Vorratsbehälter abgesaugt wird.

Es ist ersichtlich, daß das Kolbenschieberventil selbst auch bei anderen Systemen als Servolenkungen oder ähnlichen Steuerungen anwendbar ist. Beispielsweise kann es in einem hydraulischen System mit zwei parallel geschalteten Motorpumpen verwendet werden, von welchen möglicherweise eine mit niedrigem Druck und hohem Volumen arbeitet und durch eine zweite mit hohem Druck und niedrigem Volumen unterstützt wird. Solche Systeme werden in verschiedenen hydraulischen Betatigungssystemen angewendet, wie z.B. in Schwerlast-Erdbewegungsgeräten, Hebezeugen usw., und es wird angenommen, daß das vorstehend beschriebene, geteilte Ventil vorteilhafterweise dabei anwendbar ist· Bei einer verhältnismäßig stark abweichenden Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Kolbenschieberventil ein einziges Teil, welches die Elemente 9 und. 10 ersetzt, und dieses einzige Teil

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ist verschieblich auf der Ventilstange angeordnet, wobei eine oder mehrere Durchlässe in diesem Teil mit Bohrungen in der Ventilstange zusammentreffen, welche in diesem Fall ein Rohr ist, sofern sich das Ventil in seiner neutralen Stellung befindet, während diese Durchtrittsöffnungen geschlossen werden, wenn das Teil relativ zur Ventilstange bewegt wird.

Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenschieberventil, gekennzeichnet durch ein festes Ventilgehäuse (5) mit Vorsprüngen und Ventilkammern, welche entsprechenden Vorsprüngen und Ventilkammern in einem darin verschieblichen Kolbenschieber (9> 10) zugeordnet sind, in welchem Ventilgehäuse der Kolbenschieber relativ auf einer Ventilstange (8) verschieblich angeordnet ist, die ihrerseits verschieblich in dem Gehäuse gelagert ist, und wobei durch eine solche relative Verschiebebewegung ein Strömungsmittelfluß zwischen Ventilkammern des Ventils und einer Durchtrittsöffnung in dem Kolbenschieber gesteuert wird, wobei die RelatiwerSchiebung selbst durch von außen gesteuerte Axialbewegungen der Ventilstange verursacht wird.

2. Kolbenschieberventil, gekennzeichnet durch ein festes Ventilgehäuse (5)> welches Vorsprünge und Ventilkammern aufweist, welche entsprechenden Vorsprüngen und Ventilkammern eines Kolbenschiebers (9, 10) zugeordnet sind, welcher verschieblich im Ventilgehäuse angeordnet ist, wobei der Kolbenschieber aus zwei Kolbenschieberelementen (9, 10) besteht, welche ko-axial und relativ zu einer Ventilstange (8) verschieblich sind, welche Ventilstange verschieblich im Gehäuse gelagert und durch eine äußere Steuerung betätigbar ist, wobei einander zugekehrte Enden dieser Kolbenschieberelemente als Ventil wirksam sind, um einen Strömungsmittelfluß von einer mittleren Ventilkammer(11 A) durch eine von den Elementen eingeschlossene Durchtrittsöffnung (17) zu steuern, welche Durchtrittsöffnung andere Ventilkammern (15, 15 A) miteinander verbindet.

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3. Kolbenschieberventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese einander zugekehrten Enden der Kolbenschieberelemente (9» 10) so ausgebildet sind, daß sie in axialer Richtung wirksame Druckflächen bilden, sodaß der Strömungsmitteldruck diese Elemente in axialer Richtung voneinander trennen kann.

4. Kolbenschieberventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese einander zugekehrten Enden der Kolbenschieberelemente (9» 10) durch eine leder auseinandergedrückt werden.

5. Kolbenschieberventil nach einem der Ansprüche 2,

oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlagmittel (11, 11 B) auf der Ventilstange (8) mit dem einen oder anderen Kolbenschieberelement (9» 10) zusammenwirken, um dieses Element in einem Bewegungssinn zu bewegen, wenn die Ventilstange derart bewegt wird, während das andere Kolbenschieberelement stationär bleibt.

6. Kolbenschieberventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenschieberelemente (9» 10) mit ihren einander zugekehrten Enden derart ausgebildet sind, daß sie eine Strömungsmitteldichtung bilden, wenn sie durch Anschlag an der Ventilstange (8) gegeneinander gedrückt werden.

7. Servolenkung oder ähnliches Steuersystem, gekennzeichnet durch die Anwendung eines Kolbenschieberventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Handpumpe, eine Motorpumpe und Drehmomentfühler vorgesehen sind, um die Bewegung der Ventilstange (8) zu steuern.

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8. Servolenkung oder ähnliches Steuersystem nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil (18 A) vorgesehen ist, um ein Absaugen des Strömungsmittels durch die Motorpumpe (12) zu verhindern.

9. Kolbenschieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zwei gleichen Kolbenschieberelementen (9» 10), welche verschieblich im Ventilgehäuse (5) angeordnet sind und ein radiales Spiel gegenüber der Ventilstange (8) aufweisen, wodurch sie eine Durchtrittsöffnung für das Strömungsmittel bilden, wobei die Kolbenschieberelemente radiale Auslässe (17 A) aus dieser Durchtrittsöffnung zu den Ventilkammern besitzen.

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