DE19601662A1 - Servoventil in Kartuschenausführung, vorzugsweise für Hilfskraftlenkungen - Google Patents

Description

Bei Hilfskraftlenkungen in der Version der sog. offenen Mitte, bei der ein Fluidstrom das Servoventil kontinuierlich durchfließt, werden üblicherweise Ventile verwendet, bei denen zylindrische Ventilschieber in zylindrisch ausgebohrten Ventilhülsen kleine axiale oder tangentielle Steuerbewegungen zur Führung und Drosselung des Fluidstroms ausführen. Die zur Funktion erforderliche Maßgenauigkeit und Oberflächengüte von Ventilschieber und Ventilhülse führen zu kostenintensiven Fertigungstechniken. Darüber hinaus hat das Prinzip der zur Funktion eines der herkömmlichen Servoventile erforderlichen Schaltung nach dem Schema einer Wheatstonebrücke den Nachteil, daß die zwischen Schieber und Hülse gebildeten Drosselspalte nicht völlig geschlossen werden und dadurch einen Leckfluidstrom hervorrufen, der dem angesteuerten Druckraum eines doppeltwirkenden Arbeitszylinders nicht zugeführt werden kann und somit als Verlustfluidstrom den Wirkungsgrad der Anlage mindert.

Dieser Effekt geht aus Fig. 1 hervor. Die Steuerwirkung eines Servoventils besteht im wesentlichen darin, daß durch Relativbewegungen zwischen Schieber und Hülse 4 Drosselstellen gebildet werden, von denen jeweils 2 miteinander korrespondieren. Verengen sich z. B. die Querschnitte der korrespondierenden Drosseln 1 und 1a, so erweitern sich die Querschnitte der korrespondierenden Drosseln 2 und 2a. Beide Drosseln 1 und 1a weisen einen Fluidstrom auf, der als Verlustfluidstrom der eigentlichen Funktion der Anlage entzogen wird.

Das ist insbesondere von Nachteil, wenn dieser Verlusteffekt bei hohen Fluidstromdrucken in Erscheinung tritt, wie diese z. B. bei Parkiervorgängen auftreten. Da dadurch dem eigentlichen Verbraucher, nämlich dem die Lenkung unterstützenden doppeltwirkenden Arbeitszylinder, ein um den Verlustfluidstrom verminderter Fluidstrom zugeführt wird, kann der Lenkvorgang u. U. nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit ausgeführt werden. Fig. 2 stellt die im System wirksame prinzipielle Druckverteilung dar, wobei hoher Druck durch große Strichbreite, niedriger Druck durch geringe Strichbreite angedeutet ist.

Die geschilderten Nachteile der üblichen Servoventile in Schieber- Hülse-Bauart können erfindungsgemäß vermindert werden, wenn die Funktion auf 2 Teilventile verteilt wird, deren wesentlichstes Schaltelement lediglich aus einer Kugel zwischen 2 fertigungstechnisch einfach darstellbaren Kugelsitzen besteht. Jedes der beiden Teilventile wird im weiteren mit Kartusche bezeichnet.

Fig. 3 stellt den prinzipiellen Einbau der beiden baugleichen Kartuschen 4 und 5 in neutraler Schaltstellung des Lenksystems dar. Hierin ist 3 das mechanische Ansteuerungselement, das z. B. die obere oder untere Lagerung des Ritzels einer Zahnstangenlenkung sein kann. In neutraler Schaltstellung sind alle vier Drosseln 1, 1a, 2 und 2a, die als Durchlaßquerschnitte zwischen den Kugeln und den dazugehörenden Kugelsitzen ausgeführt sind, etwa gleich weit geöffnet. Das Fluid durchströmt dann die Kartuschen mit geringer Druckdifferenz.

Wird ein Lenkvorgang nach Fig. 4 eingeleitet, so wird die Lageraufnahme 3 aufgrund der sich dadurch einstellenden Reaktionskräfte im mechanischen Teil des Lenksystems z. B. nach links bewegt. Über den Schaltstift 6 wird die linke Kugel 7 nach links bewegt, wodurch sich der Querschnitt des Drosselspalts 1 verkleinert und in Folge der Pumpendruck vergrößert wird. Da der Schließweg der Kugeln in Richtung zu ihren jeweils inneren Kugelsitzen 8 und 9 kleiner ist, als in Richtung zu ihren jeweils äußeren Kugelsitzen 10 und 11, liegt die Kugel 12 im Kugelsitz 9 schon an, bevor die Kugel 7 den Kugelsitz 10 berühren und schließen kann. Entsprechend dem Schaltbild der Wheatstonebrücke in Fig. 1 und Fig. 2 bedeutet dies, daß an der Drosselstelle 1a kein Fluidstrom auftritt und der Drosseleffekt zur Drucksteuerung lediglich an der Drossel 1 hervorgerufen wird. Da jetzt nur noch an einer im Gegensatz zu den bei üblichen Servoventilen zwei Drosseln der Leckfluidstrom erzeugt wird, mindert sich dieser in vorteilhafter Weise.

Wird der Lenkvorgang in entgegengesetzter Weise eingeleitet, so schließt die Drossel 2a vollständig und der Drosseleffekt zur Drucksteuerung wird durch die Drossel 2 hervorgerufen.

Die Schaltstifte 6 und 13 haben nicht nur die Funktion, die Kugeln 7 und 12 zu bewegen, sondern wirken gleichzeitig als Bauelemente zur Erzeugung des bei Hilfskraftlenkungen aus ergonomischen Gründen verlangten sogenannten Abschneideffekts.

Dazu folgende Erläuterung:

Bei der Bewegung der Kugeln z. B. nach links muß die linke Kugel 7 gegen eine Druckkraft bewegt werden, die dem Produkt aus Fluiddruck und druckbeaufschlagter Kugelkalottenfläche entspricht. Bei entsprechend gewählten Abmesssungen ergibt sich dadurch eine Kraft am Betätigungsorgan des Lenksystems, üblicherweise am Lenkrad, die linear proportional dem Fluiddruck ist. Das ist im Bereich geringer Fluiddrucke wünschenswert. Bei hohen Fluiddrucken, wie sie z. B. bei Parkiervorgängen entstehen, würden sich jedoch unzumutbar große Lenkkräfte einstellen. Hilfskraftlenkungen versieht man deshalb meist mit Vorrichtungen zur Begrenzung der Lenkkräfte trotz zunehmenden Fluiddrucks. Im Falle des erfindungsgemäßen Kartuschenventils sind dazu die Schaltstifte jeweils mit einem Bund 14 bzw. 15 versehen, dessen beide Stirnseiten bis zu einem bestimmten Fluiddruck mit einem Fluiddruck gleicher Größe beaufschlagt sind. Die Schaltstifte wirken damit druckkraftneutral. Ab einer bestimmten Fluiddruckhöhe spricht das Druckbegrenzungsventil 16 oder 17 an, so daß der Schaltstift von diesem Punkt ab nicht mehr druckkraftneutral wirkt, sondern eine Druckkraft erzeugt, die so gerichtet ist, daß sie der Kugeldruckkraft der gegenüberliegenden Kartusche entgegenwirkt. Dadurch verringert sich der Zuwachs der Lenkkräfte trotz weiter zunehmenden Fluiddrucks, was den erwünschten Abschneideffekt ergibt.

Steuert man das jeweils aktive Druckbegrenzungsventil in Abhängigkeit von Fahrzustandsparametern, z. B. der Fahrgeschwindigkeit an, ergeben sich weitere Möglichkeiten zur ergonomischen Anpassung des Lenksystems.

In einer anderen denkbaren Ausführung nach Fig. 5 kann die durch das jeweils aktive Druckbegrenzungsventil begrenzte Druckkraft und damit die Lenkkraft auch durch ein mechanisches Federelement 18 und 19 ersetzt werden. Hier setzt der Abschneideffekt ein, wenn eine vorgesehene Federvorspannung überschritten wird.

Die Tatsache, daß die Servoventilwirkung auf zwei baugleiche Kartuschen verteilt ist, hat einen weiteren, noch nicht erläuterten Vorteil. Es lassen sich nämlich die nach dem Prinzip der offenen Mitte arbeitenden Kartuschen durch solche ersetzen, die nach dem Prinzip der geschlossenen Mitte arbeiten, das hier nicht Gegenstand der Erläuterung ist. Es ist also in kostenverringernder Weise möglich, Hilfskraftlenkungen in großer Stückzahl herzustellen, die wahlweise und ohne sonstige konstruktiven Unterschiede lediglich durch Einbau der entsprechenden Kartuschen nach dem Prinzip der offenen oder geschlossenen Mitte verwendet werden können.

Eine weitere positive Eigenschaft der der Erfindung zugrundeliegenden Kartuschen besteht darin, daß die Kugelsitze in Richtung Pumpenzulauf in Form von lose eingelegten Ringen ausgeführt sind.

Fig. 6 zeigt eine der beiden baugleichen Kartuschen in einer gegenüber Fig. 3 und Fig. 4 ausführlicheren Darstellung.

Bei Überschreiten einer bestimmten Kugelandruckkraft wird der jeweilige Kugelsitzring 20 gegen die Druckkraft und/oder Federkraft, mit der er in seine Aufnahme 21 gedrückt wird, von dieser Aufnahme 21 abgehoben und es entsteht eine direkte Verbindung zum Rücklauf 22 des Systems. Dadurch bricht der Fluiddruck zusammen, was die mechanische Beanspruchung des Systems begrenzt.

Claims (7)

1. Servoventil nach dem Prinzip der offenen Mitte vorzugsweise für Hilfskraftlenkungen, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wirkung auf zwei baugleiche Teilventile, sogenannte Kartuschen, verteilt ist, deren Schaltelement jeweils aus einer Kugel zwischen 2 Kugelsitzen besteht, wobei die Kugel durch einen Schaltstift bewegt wird und die Abstände zwischen der Kugel und den beiden Kugelsitzen unterschiedlich groß sind.

2. Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstifte je einen Bund aufweisen, dessen eine Stirnseite mit dem jeweiligen Arbeitsfluiddruck und dessen andere Stirnseite mit einem durch ein Druckbegrenzungsventil begrenzbaren Fluiddruck beaufschlagt wird.

3. Servoventil nach obenstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbegrenzungsventile durch verschiedene Fahrzustandsparameter, z. B. die Fahrgeschwindigkeit, angesteuert werden.

4. Servoventil nach obenstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstifte durch Reaktionsbewegungen der oberen oder unteren Lagerung des Ritzels einer Zahnstangenlenkung bewegt werden.

5. Servoventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstifte durch die Reaktionsbewegung des schrägverzahnten Ritzels einer Zahnstangenlenkung in Form einer Bewegung in seiner Achsrichtung bewegt werden.

6. Servoventil nach obenstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelsitzringe in Richtung Pumpenzulauf lose eingelegt sind und bei Überschreiten einer vorbestimmten Kugeldruckkraft aus ihrer Aufnahme gegen eine Fluiddruckkraft und/oder eine Federkraft abgehoben werden.

7. Servoventil nach den Ansprüchen 1, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstifte je einen Bund aufweisen, dessen eine Stirnseite mit dem jeweiligen Arbeitsfluiddruck und dessen andere Stirnseite in axialer Richtung durch die Kraft eines mechanischen Federelementes beaufschlagt wird.