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Die
Erfindung betrifft eine elektronisch geregelte Hydrauliksteuervorrichtung
für ein
stufenlos einstellbares Getriebe von der Bauart mit Riemenscheiben
und Schubtreibriemen für
ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Im
allgemeinen sind stufenlos einstellbare Getriebe dieser Art mit
zwei hydraulischen Drucksteuerventilen ausgerüstet, nämlich einem Leitungsdruck-Steuerventil
bzw. Sekundärsteuerventil,
um einen Treibriemen einzuklemmen, indem man den Sekundärdruck einer
Sekundär-Riemenscheibe
steuert, und einem Verschiebungs-Steuerventil bzw. Primärsteuerventil,
um das Übersetzungsverhältnis zu ändern, indem
man den Primärdruck
einer Primär-Riemenscheibe
steuert. Das Primärsteuerventil
ist ein mit elektrischem Strom betriebenes Hydrauliksteuerventil,
um den Primärdruck
in Abhängigkeit
von den Maschinen- und
Fahrzeugbetriebsbedingungen zu steuern, und zwar unter Verwendung
von verschiedenen Eingangssignalen, welche z.B. die Motordrehzahl,
die Drosselklappenöffnung,
die Fahrzeuggeschwindigkeit usw. repräsentieren. Das bedeutet, die Steuereinheit
berechnet einen Primärdruck-Sollwert durch
elektronische Verarbeitung dieser Eingangssignale und liefert einen
Elektromagnetstrom, welcher dem Primärdruck-Sollwert entspricht,
an das Primärsteuerventil,
um den Primärdruck
zu steuern.
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Bei
dem strombetriebenen Steuerventil gibt es solche vom direkt betriebenen
Typ und solche vom Vorsteuerventiltyp. Der direkt betriebene Typ wird
direkt mit einem Elektromagnetstrom betrieben; und der Vorsteuerventiltyp
wird mit einem Vorsteuerdruck betrieben, der in Abhängigkeit
von dem Elektromagnetstrom erzeugt wird. Der Vorsteuerventiltyp hat
den Vorteil, daß ein
hoher Primärdruck
stabil mit kleinen Elektromagnetströmen gesteuert werden kann.
Er hat jedoch andererseits den Nachteil, daß aufgrund des Umstandes, daß der Leitungsdruck
bei dem Vorsteuerventil in unabhängiger
Weise für
verschiedene Zwecke verwendet wird, das Ausmaß des Ölverbrauchs bei dem Vorsteuerventil
zunimmt und infolgedessen eine Ölpumpe
mit einer größeren Arbeitsdruckkapazität erforderlich
ist.
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Im
Hinblick auf ein strombetriebenes Verschiebungs-Steuerventil für ein stufenlos
einstellbares Getriebe kann als Beispiel für den direkt betriebenen Typ
die JP 62-31533 A angegeben werden, die ein Elektromagnetventil
vom Druckrückkopplungstyp angibt,
dessen Steuerschieber direkt betätigt
wird durch ein bewegliches Joch einer elektromagnetischen Spule.
Als Beispiel eines Steuerventils vom Vorsteuerventiltyp kann die
JP 63-57343 A genannt werden, die ein Steuerventil vom Vorsteuerventiltyp beschreibt,
das eine Referenzdruck-Erzeugungs-Einrichtung für einen Referenzdruck aufweist, der
auf Taststeuersignalen basiert; ferner ist dort eine Hydrauliksteuereinrichtung
vorgesehen, um eine hydraulische Steuerung in Abhängigkeit
vom Referenzdruck und vom Rückkopplungsdruck
durchzuführen.
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Die
Konstruktion gemäß der JP
62-31533 A hat jedoch den Nachteil, daß Störungen des Hydraulikdruckes
und dergleichen den Ventilbetrieb instabil machen, und zwar wegen
der Eigenschaft, daß es sich
dabei um ein direkt betriebenes Ventil handelt, welches eine geringe
elektromagnetische Kraft besitzt. Um diesen Effekt auszugleichen,
ist es erforderlich, die elektromagnetische Kraft des Ventils zu
erhöhen,
aber dies bringt größere Abmessungen
des Elektromagneten mit sich, mit der Folge, daß sich Nachteile hinsichtlich
des Gewichtes, des erforderlichen Raumes und der Herstellungskosten
ergeben.
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Die
andere herkömmliche
Konstruktion gemäß der JP
63-57343 A ist im Hinblick auf Störungen vorteilhaft, da es sich
um ein Ventil vom Vorsteuerventiltyp handelt. Bei diesem Stand der
Technik ist es jedoch erforderlich, den Referenzdruck bei einem niedrigeren
Pegel als dem niedrigsten Pegel des abgeschätzten Leitungsdruckes auszubilden.
Dies erzeugt eine große
Differenz zwischen dem Leitungsdruck und dem Referenzdruck, wenn
der Leitungsdruck hoch ist, nämlich
in einem solchen Falle, wenn das Riemenscheibenverhältnis sich
in der Stellung "Low" befindet; infolgedessen
wird der Ölverbrauch erhöht. Da bei
diesem Typ von Steuerventil das Primärsteuerventil geradlinig ausgebildet
ist, gibt es eine Grenze im Steuerbereich des Primärdruckes. Um
daher den Primärdruck
so zu erhöhen,
daß er hoch
genug ist, muß infolgedessen
die Druckfläche des
Primärzylinders
vergrößert werden,
und dies bringt größere Abmessungen
sowie eine Gewichtszunahme des Zylinders mit sich.
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Eine
elektronisch geregelte Hydrauliksteuervorrichtung für ein stufenlos
einstellbares Getriebe der eingangs genannten Art ist aus der
US 5 232 406 bekannt. Dort
sind ein erstes und ein zweites Steuerventil vorgesehen, wobei einerseits
der Sekundärsteuerdruck
und andererseits der Primärsteuerdruck geregelt
werden, und zwar unter Verwendung elektrisch betriebener Vorsteuerventile.
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Bei
dieser herkömmlichen
Hydrauliksteuervorrichtung entspricht der Aufbau des dort verwendeten
Primärsteuerventils
dem des Sekundärsteuerventils.
Das kann zwar aus Gründen
der Fertigungskosten und der Lagerhaltung optimal sein, führt jedoch
unter Beachtung der spezifischen Anforderungen von Primärsteuerkreis
und Sekundärsteuerkreis zu
Funktionseinschränkungen
und nicht optimalen Druckverhältnissen
in dem Hydrauliksystem.
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Die
EP 0 487 129 A1 gibt
eine Steuervorrichtung für
ein Automatikgetriebe an, wobei dort ein mit einer Federkraft vorgespanntes
Steuerventil beschrieben ist, das ein elektrisches Vorsteuerventil aufweist.
Die dort beschriebene Ventilsteuerung dient ebenfalls dem Betreiben
eines stufenlos einstellbaren Getriebes.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronisch geregelte
Hydrauliksteuerung für ein
stufenlos einstellbares Getriebe von der Bauart mit Riemenscheiben
und Schub-Treibriemen für
ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei welcher die eingesetzten Ventile
so gestaltet sind, daß sich
ausgeglichene, möglichst
proportionale Druckverhältnisse
einstellen, um insgesamt sowohl den Ölverbrauch als auch die Aufwendungen
für eine
einzusetzende Hydraulikpumpe zu minimieren.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
darin, eine elektronisch geregelte Hydrauliksteuervorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 anzugeben. Eine vorteilhafte
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hydrauliksteuervorrichtung
ist im Anspruch 2 angegeben.
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Mit
der erfindungsgemäßen Hydrauliksteuervorrichtung
wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Durch
die spezielle Ausbildung des Primärsteuerventils mit den angegebenen
geometrischen Verhältnissen
läßt sich
in der gewünschten Weise
ein proportionales Verhalten des Steuerventils, das heißt des Verhältnisses
des Vorsteuerdruckes zum Primärdruck
und damit auch zum Sekundärdruck
erreichen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen in
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1 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines stufenlos einstellbaren Getriebes mit einer entsprechenden
Steuerung;
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2 ein
Diagramm einer Hydraulikschaltung eines Steuerungssystems für ein stufenlos
einstellbares Getriebe;
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3a ein
Diagramm zur Erläuterung
des Zusammenhanges zwischen einem Sekundärdruck und dem Strom eines
Elektromagneten;
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3b ein
Diagramm zur Erläuterung
des Zusammenhanges zwischen einem Primärdruck und dem Strom eines
Elektromagneten;
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3c ein
Diagramm zur Erläuterung
der Charakteristiken von einem Primärdruck und einem Sekundärdruck;
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4a ein
Diagramm zur Erläuterung
des Zusammenhanges zwischen einer Klemmkraft und einem Drehmomentverhältnis;
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4b ein
Diagramm zur Erläuterung
einer Verschiebungscharakteristik eines stufenlos einstellbaren
Getriebes; und in
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5 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Zusammenhanges zwischen einem Sekundärdruck und einer Druckdifferenz
zwischen einem Sekundärdruck und
einem Vorsteuerdruck.
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Bei
der Darstellung gemäß 1 bezeichnet das
Bezugszeichen 1 eine Maschine, deren Drehmoment von einer
Kurbelwelle 2 auf ein Differential 6 übertragen
wird, und zwar über
einen Drehmomentwandler 12, ein Vorwärts-Rückwärts-Umschaltgetriebe 4 und
ein stufenlos einstellbares Getriebe 5 von der Bauart mit
Riemenscheiben und Schubtreibriemen.
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In
dem Drehmomentwandler 12 ist die Kurbelwelle 2 mit
einer Drehmomentwandlerabdeckung 11 und einem Pumpenflügelrad 12a des
Drehmomentwandlers 12 über
eine Antriebsplatte 10 verbunden. Ein Turbinenrad 12b des
Drehmomentwandlers 12 ist mit einer Turbinenwelle 13 verbunden,
und ein Stator 12c ist von einer Freilaufkupplung 14 geführt. Eine
Einrastkupplung 15 ist mit dem Turbinenrad 12b integral
verbunden und derart vorgesehen, daß sie mit der Antriebsplatte 10 in
Eingriff oder außer
Eingriff steht. Somit wird ein Maschinendrehmoment über den
Drehmomentwandler 12 oder die Einrastkupplung 15 auf
die Turbinenwelle 13 übertragen.
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Das
Vorwärts-Rückwärts-Umschaltgetriebe 4 weist
ein Planetengetriebe 16 vom Doppelzahnradtyp auf, bei dem
ein Sonnenrad 16a mit der Turbinenwelle 13 verbunden
ist und ein Träger 16b mit
einer Primärwelle 20 verbunden
ist. Eine Vorwärts-Kupplung 17 ist
zwischen dem Sonnenrad 16a und einem Hohlrad 16c vorgesehen,
während
eine Rückwärts-Bremse 18 zwischen
dem Hohlrad 16c und einem Gehäuse vorgesehen ist. Eine Vorwärts-Stellung wird erhalten,
indem man das Planetengetriebe 16 direkt mit der Turbinenwelle 13 verbindet,
wobei die Primärwelle 20 mit
der Vorwärts-Kupplung 17 in Eingriff
steht; eine Rückwärts-Stellung
ist dann gegeben, wenn die Rückwärts-Bremse 18 eingerückt ist, so
daß eine
Drehung in Rückwärts-Richtung auf die Primärwelle 20 ausgeübt wird;
und eine Neutralstellung wird erhalten, wenn man die Vorwärts-Kupplung 17 und
die Rückwärts-Bremse 18 ausrückt, so
daß sich
eine freie Drehbewegung des Planetengetriebes 16 ergibt.
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Das
stufenlos einstellbare Getriebe 5 von der Bauart mit Riemenscheiben
und Schubtreibriemen besteht aus einer Primärwelle 20 und einer
Sekundärwelle 23,
die parallel zu der Primärwelle 20 angeordnet
ist. Die Primärwelle 20 hat
eine Primär-Riemenscheibe 22,
deren Spaltbreite durch die Bewegung eines Primärzylinders 21 frei
eingestellt werden kann. Die Sekundärwelle 23 hat eine ähnliche
Sekundär-Riemenscheibe 25,
die von einem Sekundärzylinder 24 frei
bewegbar ist. Zwischen den beiden Riemenscheiben 22 und 25 ist
ein Antriebsriemen 26 vorgesehen, der diese umschlingt,
um ein Drehmoment von der Primärwelle 20 auf
die Sekundärwelle 23 zu übertragen
und um die Drehzahl der Sekundärwelle 23 stufenlos
einzustellen, und zwar durch eine Änderung des Verhältnisses
der Umschlingungsradien der beiden Riemenscheiben 22 und 25.
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In
dem Differential 6 ist eine Ausgangswelle 28 mit
der Sekundärwelle 23 verbunden,
und zwar über
ein Paar von Untersetzungsrädern 27,
und ein Antriebsrad 29 der Ausgangswelle 28 kämmt mit
einem Endrad 30. Eine Differentialbaugruppe 31,
die integral an dem Endrad 30 befestigt ist, ist über eine Achsenwelle 32 mit
linken und rechten Rädern 33 verbunden,
um ein Fahrzeug anzutreiben.
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Bei
dem entsprechenden Hydraulik-Steuersystem ist eine Hydraulikpumpe 34 von
der Bauart mit variablem Pumpvermögen in der Nähe des Drehmomentwandlers 12 angeordnet,
und da die Hydraulikpumpe 34 mit einer Pumpenantriebswelle 35 gekoppelt
ist, die mit der Drehmomentwandlerabdeckung 11 verbunden
ist, wird die Hydraulikpumpe 34 stets von der Maschine 1 angetrieben,
um Öl von
einem Ölbehälter 36 zu
liefern und dadurch den erforderlichen hydraulischen Druck für eine elektronisch gesteuerte
Hydrauliksteuervorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Die
elektronisch gesteuerte Hydrauliksteuervorrichtung 40 weist
ein Leitungsdruck-Steuerventil bzw. Sekundärsteuerventil 60 und
ein Verschiebungs- oder Umschalt-Steuerventil bzw. Primärsteuerventil 70 auf.
In dem Sekundärsteuerventil 60 wird der
Arbeitsdruck von der Hydraulikpumpe 34 durch eine Ölleitung 41 zu
dem Sekundärsteuerventil 60 geführt und
darin mit einem Elektromagnetstrom Is reguliert, der von einer Steuereinheit 80 gesteuert wird.
Der regulierte Leitungsdruck Ps wird dem Sekundärzylinder 24 über eine Ölleitung 42 stets
zugeführt,
um den Antriebsriemen 26 einzuklemmen. Andererseits wird
der Leitungsdruck Ps dem Primärsteuerventil 70 über eine Ölleitung 43 zugeführt. In dem
Primärsteuerventil 70 wird
der Leitungsdruck als Sekundärdruck
Ps durch einen Elektromagnetstrom Ip reduziert, der von der Steuereinheit 80 gesteuert wird,
um einen Leitungsdruck als Primärdruck
Pp zu erzeugen. Der Primärdruck
Pp wird dem Primärzylinder 21 über eine Ölleitung 44 zugeführt, um
eine Verschiebungssteuerung durchzuführen.
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In
der Steuereinheit 80 werden verschiedene Eingangssignale,
wie z.B. ein Drosselklappenöffnungswinkel,
eine Maschinendrehzahl, eine Primärwellendrehzahl, eine Sekundärwellendrehzahl,
welche der Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht, ein Sekundärdruck Ps
und dergleichen einer elektronischen Verarbeitung unterworfen. Ferner
werden in der Steuereinheit 80 ein Leitungsdruck-Sollwert
und ein Primärdruck-Sollwert
in Abhängigkeit
von den Maschinen- und Fahrzeug-Betriebsbedingungen berechnet. Der
Leitungsdruck-Sollwert wird in einen Elektromagnetstrom Is umgewandelt,
der an das Sekundärsteuerventil 60 abgegeben
wird, um den Leitungsdruck elektronisch zu steuern. Der Primärdruck-Sollwert
wird in einen Elektromagnetstrom Ip umgewandelt, und der Elektromagnetstrom
Ip wird an das Primärsteuerventil 70 abgegeben,
um den Primärdruck
elektronisch zu steuern.
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Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 die Konstruktion
des Sekundärsteuerventils 60 und
des Primärsteuerventils 70 erläutert.
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Das
Sekundärsteuerventil 60 gehört zu einem
proportionalen Elektromagnet-Druckbegrenzungsventil von der Bauart,
die mit Vorsteuerventil betrieben wird und mit Druckrückkopplung
arbeitet. Dabei ist ein gerade geformter Steuerschieber 62 mit einem
gleichmäßigen Schieberbunddurchmesser
in einen Ventilkörper 61 eingesetzt.
Der Sekundärdruck Ps
wird als Rückkopplungsdruck
an einen Schieberbund 62a auf der einen Seite des Steuerschiebers 62 angelegt,
und zwar über
eine Ölleitung 46 mit
einer Blende 45. Ein Schieberbund 62b auf der
anderen Seite des Steuerschiebers 62 ist der Federkraft
einer Feder 63, um einen Minimaldruck zu halten, und zugleich
dem Vorsteuerdruck Pc ausgesetzt, der von einem Vorsteuerventil 64 gesteuert
wird. Ein dazwischen angeordneter Schieberbund 62c dient
zum Ausgleichen der Wirkungen der beiden (äußeren) Schieberbunde 62a und 62b,
und zwar durch das Ablassen eines Teiles des durch einen Anschluß 61a hindurchgehenden Öldruckes
aus einer Ablaßöffnung 61b.
Wenn dabei 51 eine Druckflä che des Steuerschiebers 62 ist,
Ps ein Sekundärdruck
ist, Pc einen Vorsteuerdruck bezeichnet und Fsp eine Vorspannkraft
ist, so gilt eine Beziehung, die sich durch folgende Formel ausdrücken läßt: Ps·S1
= Pc·S1
+ Fsp.
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Aus
dieser Formel ergibt sich, daß der
Leitungsdruck bzw. Sekundärdruck
Ps in einem proportionalen Zusammenhang mit dem Vorsteuerdruck Pc gesteuert
wird.
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Das
Vorsteuerventil 64 hat eine Vorsteuerkammer 65,
welcher der Leitungsdruck Ps von einer Ölleitung 48 mit einer
Blende 47 zugeführt
wird. Die Vorsteuerkammer 65 steht mit einer Öffnung 66 in Verbindung,
die mit einem Kegelventil 67 geschlossen ist, um den Vorsteuerdruck
Pc zu erzeugen. Das Kegelventil 67 ist mit einem Elektromagneten 68 über eine
Vorspannungsfeder verbunden. Der Elektromagnet 68 ist von
der Einzieh-Spulenbauart und mit einer Rückstellfeder 69 vorgespannt,
um die Öffnung 66 zu
verschließen.
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Wenn
folglich der Elektromagnet 68 nicht erregt ist, dann ist
die Öffnung 66 von
dem Kegelventil 67 vollständig geschlossen, und der Vorsteuerdruck Pc
erreicht ein Maximum. Wenn der Elektromagnetstrom Is ansteigt, dann
wird das Kegelventil 67 in Richtung des Elektromagneten
gezogen, um die Öffnung 66 zu öffnen; infolgedessen
wird der Vorsteuerdruck Pc reduziert. Somit wird der Vorsteuerdruck
Pc bei einer Zunahme des Elektromagnetstromes Is verringert.
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Der
Sekundärdruck
Ps steht somit in einer umgekehrt proportionalen Relation zu dem
Elektromagnetstrom Is, wie es in 3a dargestellt
ist. Aus diesem Zusammenhang ist es ohne weiteres einsichtig, daß der Sekundärdruck Ps
maximal wird, wenn der Elektromagnetstrom Is Null ist. Das bedeutet,
dadurch wird eine ausfallsichere Funktion dahingehend erzeugt, daß verhindert
wird, daß der
Treibriemen einen Schlupf hervorruft, wenn beispielsweise ein Draht
in dem elektrischen System bricht. Außerdem ermöglicht dies, daß der Durchmesser
der Blende 47 klein ausgebildet sein kann, um dadurch den Ölverbrauch
zu reduzieren.
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Im
allgemeinen ist es erforderlich, daß der Sekundärdruck Ps
höher ist,
wenn das Getriebedrehmoment groß wird
und das Drehzahlverhältnis
sich einem niedrigen Wert nähert.
Weiterhin ist es erforderlich, daß der Steuerbereich des Sekundärdruckes Ps
groß ist,
da das Fahrzeug verschiedene Betriebsbedingungen besitzt. Daher
wird der Sekundärdruck Ps
so gesteuert, daß er
hoch bei dem maximalen Drehzahlverhältnis Low und niedrig bei dem
minimalen Drehzahlverhältnis
OD (overdrive) ist, wie es in 3c dargestellt
ist.
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Hierbei
wird der Maximalwert Psmax des Sekundärdruckes Ps derart bestimmt,
daß ein
Schlupf in dem Treibriemen auch dann nicht auftritt, wenn der Drehmomentwandler 12 in
einem Blockierzustand ist, und der Minimalwert Psmin wird so bestimmt,
daß er
so niedrig wie möglich
ist, derart, daß ein
erforderliches Drehmoment übertragen
werden kann, wenn das Fahrzeug in der OD-Stellung betrieben wird.
In beiden Fällen
wird verhindert, daß der
Sekundärdruck
Ps höher
wird als es unter dem Gesichtspunkt von Energieverlusten erforderlich
ist.
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Das
Sekundärsteuerventil 70 gehört zum Typ
eines proportionalen Elektromagnet-Druckreduzierventils von der
Bauart, die mit Vorsteuerung und Druckrückkopplung arbeitet. Ein stufenförmiger Steuerschieber 72 ist
in einen Ventilkörper 71 eingesetzt. Der
stufenförmige
Steuerschieber 72 weist einen Schieberbund 72a mit
einem kleinen Durchmesser sowie drei Schieberbunde 72b, 72c und 72d mit
einem großen
Durchmesser auf. Der eine mittlere Schieberbund 72c ist
zwischen einem an eine Ölleitung 44 angeschlossenen
Anschluß 71b und
einem mit einer Ölleitung 33 verbundenen
Anschluß 71a vorgesehen,
während
der andere mittlere Schieberbund 72d zwischen dem Anschluß 71b und
einer Ablaßöffnung 71c vorgesehen
ist.
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Der
Schieberbund 72a des Steuerschiebers 72 ist dem
Primärdruck
Pp als Rückkopplungsdruck durch
eine Ölleitung 50 mit
einer Blende 49 ausgesetzt und von einer Feder 73 vorgespannt,
um den Primärdruck
Pp auf Null zu halten. Der Schieberbund 72b mit dem größeren Durchmesser
ist dem Vorsteuerdruck Pc ausgesetzt, der von dem Vorsteuerventil 74 gesteuert
ist. Das Verhältnis
der Steuerschieberdurchmesser, also das Übersetzungsverhältnis des Steuerschiebers
und die Federbeaufschlagung sind so bestimmt, daß sie der Relation Pp = Ps
genügen, wenn
Ps ≤ Ppmax
ist.
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Der
Primärdruck
Pp wird erhöht,
wenn der Sekundärdruck
Ps dem Primärzylinder 21 durch
den Schieberbund 72c zugeführt wird, und er nimmt ab, wenn
der Primärdruck
Pp über
den Schieberbund 72d abgelassen wird. Der Primärdruck Pp
wird gesteuert beim Ausgleichen der obigen beiden Zustände. Wenn 51 die
Druckfläche
des Schieberbundes 72a ist, S2 die Druckfläche des
Schieberbundes 72b ist, Pp den Primärdruck bezeichnet, Pc den Vorsteuerdruck
bezeichnet und Fsp die Federvorspannkraft ist, dann ergibt sich
eine Relation gemäß der folgenden
Formel: Pp·S1 + Fsp
= Pc·S2 (1).
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Aus
dieser Gleichung ist ersichtlich, daß der Primärdruck Pp in einer proportionalen
Relation zu dem Vorsteuerdruck Pc gesteuert wird, und zwar in gleicher
Weise wie im Falle des Sekundärdruckes Ps.
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Ein
Vorsteuerventil 74 funktioniert in gleicher Weise wie das
Sekundärsteuerventil 60.
Das bedeutet, das Vorsteuerventil 74 hat eine Vorsteuerkammer 75,
welcher der Sekundärdruck
Ps über
eine Ölleitung 52 mit
einer Blende 51 zugeführt
wird. Die Vorsteuerkammer 75 steht mit einer Öffnung 76 in
Verbindung, die mit einem Kegelventil 77 geschlossen ist,
um den Vorsteuerdruck Pc zu erzeugen. Das Kegelventil 77 ist
mit einem Elektromagneten 78 über eine Vorspannungsfeder
ver bunden. Der Elektromagnet 78 ist von der Einzieh-Spulenbauart,
der von einer Rückstellfeder 79 vorgespannt
ist, um die Öffnung 76 zu
schließen.
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Wenn
folglich der Elektromagnet 78 nicht erregt ist, dann ist
die Öffnung 76 durch
das Kegelventil 77 vollständig geschlossen, und der Vorsteuerdruck Pc
wird maximal. Wenn der Elektromagnetstrom Ip zunimmt, dann wird
das Kegelventil 77 in die Richtung des Elektromagneten
gezogen, um die Öffnung 76 zu öffnen, und
infolgedessen wird der Vorsteuerdruck Pc reduziert. Somit wird der
Vorsteuerdruck Pc bei einer Zunahme des Elektromagnetstromes reduziert.
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Somit
steht der Primärdruck
Pp in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zu dem Elektromagnetstrom
Ip, wie es in 3b dargestellt ist. Wenn folglich
ein Draht in dem elektrischen System bricht und der Elektromagnet 78 des
Vorsteuerventils 74 aberregt wird, dann wird der Primärdruck maximal;
so daß ein
plötzliches
Umschalten nach unten während des
Betriebes vermieden werden kann. Das bedeutet, der Mechanismus hat
eine ausfallsichere Funktion.
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Im
folgenden wird der Steuerbereich des Primärdruckes Pp näher erläutert.
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Im
folgenden wird von einem stufenlos einstellbaren Getriebe ausgegangen,
das einen Schub-Treibriemen verwendet. Dabei werden folgende Annahmen
gemacht: Fp ist eine Primärklemmkraft (ein
Produkt aus dem Primärdruck
Pp und der Zylinderfläche
Ap); Fs ist eine Sekundärklemmkraft
(ein Produkt aus dem Sekundärdruck
Ps und der Zylinderfläche
Ap); Ti ist ein Eingangsdrehmoment; und Tmax ist ein übertragbares
Drehmoment bei einem gegebenen Drehzahlverhältnis und bei einem gegebenen
Hydraulikdruck. Dann gibt es eine Relation, die in 4a dargestellt
ist, zwischen einem Klemmkraftverhältnis Fp/Fs und einem Drehmomentverhältnis Ti/Tmax.
Wenn gemäß dieser
Relation das Übertragungsdrehmoment
ansteigt, während der
Sekundärdruck
Ps und der Primärdruck
Pp konstant gehalten werden, so verschiebt sich das Drehzahlverhältnis zu
der Seite von Low. Wenn weiterhin der Primärdruck Pp reduziert wird, während das Übertragungsdrehmoment
und der Sekundärdruck
Ps konstant gehalten werden, so verschiebt sich das Drehzahlverhältnis zu
der Seite von Low. Wenn somit der Fahrer eines Fahrzeugs einen Kickdown
durchführt,
so ist es möglich,
das Drehzahlverhältnis
rasch zu der Low-Stellung zu verschieben, indem man den Primärdruck Pp
auf den Minimalwert Ppmin reduziert, in diesem Falle auf Ppmin =
0.
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Im
folgenden wird auf 4a Bezug genommen. Da es einen
Bereich des Klemmkraftverhältnisses
Fp/Fs > 1 gibt, ist
im allgemeinen die Zylinderfläche
Ap so ausgebildet, daß sie
größer ist
als die Zylinderfläche
As. Unter Berücksichtigung
des Trägheitsmomentes
des Primärzylinders
ist es jedoch wünschenswert,
den Durchmesser des Primärzylinders
so weit wie möglich
zu reduzieren. Um dies auszugleichen, ist es erforderlich, den Primärdruck Pp
zu erhöhen.
Im allgemeinen ist der maximale Primärdruck Ppmax so vorgegeben,
daß er
den gleichen Wert hat wie der Sekundärdruck Ps. Somit wird der Primärdruck Pp
innerhalb eines Bereiches von 0 bis Ps gesteuert.
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Als
nächstes
wird eine Konstruktion beschrieben, um den Ölverbrauch in dem Vorsteuerventil 74 zu
reduzieren.
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Zunächst einmal
ist es erforderlich, zwei Bedingungen zu erfüllen, nämlich Pp = 0 und Pp = Ps, wobei
Ps ≤ Ppmax
ist.
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Die
oben angegebene Formel (1) läßt sich dann
folgendermaßen
umschreiben: Pp +
Fsp/S1 = Pc·S2/S1 (2).
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Wenn
das Übersetzungsverhältnis S2/S1
mit α bezeichnet
wird und β =
Fsp/S1 ist, so erhält
man die folgende Formel: Pp + β =
Pc·α (3).
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Wenn
Pc1 ein Vorsteuerdruck für
den Fall von Pp = 0 ist, dann ist Pc1 gleich β/α. Weiterhin kann der Vorsteuerdruck
Pc1 einen Wert von Null oder dicht bei Null annehmen. Im allgemeinen
wird im Falle der meisten mit Elektromagneten betriebenen Ventile
ein "Dithersignal" angelegt, um ein
schnelles Ansprechen auf den Strom zu erhalten. Wenn der Vorsteuerdruck
Pc1 gleich Null ist, dann kann kein "Dithersignal" angelegt werden, und somit wird die Ansprechcharakteristik
schlechter. Daher ist es erforderlich, den Vorsteuerdruck Pc1 so
auszubilden, daß ein
minimaler Druck aufrechterhalten wird, so daß der "Dithereffekt" gewährleistet
werden kann. In der Praxis ist es wünschenswert, den Vorsteuerdruck Pc1
mit einem Wert einzustellen, der größer als 0,1 MPa (Megapascal)
ist. Wenn man dabei den Vorsteuerdruck Pc1 den Wert von 0,1 annehmen
läßt, so wird die
Formel 0,1·α = β erhalten.
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In
einem Falle, in dem das Drehzahlverhältnis minimal ist, d.h. wenn
das Drehzahlverhältnis
den Overdrive-Wert oder OD-Wert hat, ist es erforderlich, daß die Relation
Pp = Ps erfüllt
ist. Setzt man dies in die Formel (3) ein, so ergibt sich die nachstehende Formel: Psmin + β = Psmin·α (4).
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Wenn
man weiterhin die Relation 0,1Â = β in die Gleichung
(4) einsetzt, so ergibt sich die nachstehende Relation: Psmin (α – 1) = 0,1 α (5).
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Hierbei
hat der minimale Sekundärdruck Psmin,
der für
die Drehmomentübertragung
erforderlich ist, einen zulässigen
niedrigeren Pegel aufgrund eines Druckanstiegs, der durch den Strömungswiderstand
der Ablaßpassage
hervorgerufen wird. Ein praktikabler Druckpegel von Psmin liegt
im Bereich von 0,3 bis 1,0 MPa, und zwar in Abhängigkeit von der Kapazität des stufenlos
einstellbaren Getriebes. Setzt man diese Werte in die Gleichung
(5) ein, dann erhält
man α =
1,5,wenn Psmin = 0,3 und α = 1,11,wenn
Psmin = 1,0.
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Das
bedeutet, das Übersetzungsverhältnis α ist innerhalb
eines Bereiches von 1,11 bis 1,5 vorgegeben. Andererseits läßt sich
der Zusammenhang zwischen der Federvorspannkraft Fsp und der Druckfläche S2 des
Schieberbundes 72b ausdrücken durch die Beziehung Fsp
= 0,1·S2,
wenn man von der obigen Beziehung 0,1α = β ausgeht.
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Die
Strömungsmenge
q von Öl,
das in dem Vorsteuerventil 74 verbraucht wird, läßt sich
folgendermaßen
ausdrücken: q = Cd·A
2 (Ps Pc)/ρ,wobei
folgende Bezeichnungen verwendet sind
- Cd
- = Strömungskoeffizient
- A
- = Fläche der Öffnung
- ρ
- = Öldichte.
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Da
die Frequenzverteilung des Drehzahlverhältnisses bei normalen Betriebsbedingungen
gemäß dem Verschiebungsdiagramm
des stufenlos einstellbaren Vertriebes meistens in dem Betriebsbereich
in der Nähe
des Overdrives liegt, muß die Druckdifferenz
Ps – Pc
unter der Voraussetzung Pp = Ps minimal gemacht werden, um den Ölverbrauch
q zu reduzieren. Setzt man Pp = Ps in die Gleichung (3) ein, so
wird der Ausdruck Pc = Ps/α + β/αerhalten. Somit kann der
Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz (Ps – Pc) und Ps durch die Kurven ausgedrückt werden,
die α als
Parameter haben, wie es in 5 dargestellt
ist.
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Der
Bereich Ps – Pc < 0 ist ein Bereich,
in welchem die Relation Pp = Ps nicht erreicht werden kann, weil
der Sekundärdruck
Ps zu niedrig ist. Wenn α als
Wert in der Nähe
von 1,1 genommen wird, so ergibt sich aus diesem Diagramm, daß die Druckdifferenz
(Ps – Pc)
im Hinblick auf Ps insgesamt reduziert werden kann. Wenn andererseits α als Wert
in der Nähe
von 1,5 gewählt
wird, so ergibt sich weiterhin, daß der minimale Betriebsdruck
Ps1 des Sekundärdrucks
Ps minimal gemacht werden kann. Wenn Ps – Pc gleich 0 bei Psmin ist
und wenn α in
einem Bereich von 1,11 bis 1,50 gewählt wird, kann infolgedessen
die gesamte Druckdifferenz Ps – Pc
minimal gemacht werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist ein Beispiel von Pc1 = 0,1 MPa beschrieben worden. Im allgemeinen
schwankt der Wert von Pc1 in Abhängigkeit
von der Ölspezifikation,
der Konstruktion der Hydraulikschaltung, einem zulässigen Leckpegel
und dergleichen. Es versteht sich von selbst, daß der Wert von Pc1 beliebig
gewählt
werden kann, so lange die Bedingung Pc1 ≥ 0,1 MPa erfüllt ist.
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Im
folgenden wird die Funktion der gesamten Konstruktion gemäß der beschriebenen
Ausführungsform
näher erläutert.
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Zunächst wird
ein Arbeitsdruck von der Ölpumpe 34 erzeugt,
die von der Maschine 1 über
die Drehmomentwandlerabdeckung 11 des Drehmomentwandlers 12 und
die Pumpenantriebswelle 35 angetrieben ist. Der Arbeitsdruck
der Ölpumpe 34 wird
der elektronisch gesteuerten Hydrauliksteuervorrichtung 40 zugeführt und
mit dem Sekundärsteuerventil 60 reguliert.
Der regulierte Sekundärdruck
Ps wird in die Vorsteuerventile 64 und 74 eingeleitet,
in denen der Vorsteuerdruck Pc erzeugt wird. Das Sekundärsteuerventil 60 wird
so betrieben, daß die
Federvorspannkraft Fsp mit dem Leitungsdruck Ps ausgeglichen wird,
und das Primärsteuerventil 70 wird
so betrieben, daß es
den Vorsteuerdruck Pc mit dem Primärdruck Pp und mit der Federvorspannkraft
Fsp ausgleicht.
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Wenn
sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, so fließt der maximale
Elektromagnetstrom Ip durch den Elektromagneten 78 des
Primärsteuerventils 70,
und infolgedessen wird der Vorsteuerdruck Pc näherungsweise zu Null. Dann
drückt
die Feder 73 gegen den Steuerschieber 72, um Öl abzulassen, und
somit wird der Primärdruck
Pp zu Null. In dem Sekundärsteuerventil 60 fließt ein relativ
niedriger Elektromagnetstrom Is durch den Elektromagneten 68,
und infolgedessen wird der Vorsteuerdruck Pc gering. Zu diesem Zeitpunkt
wird der Sekundärdruck Ps
so gesteuert, daß er
niedrig ist. Da der Sekundärdruck
Ps nur dem Sekundärzylinder 24 zugeführt wird,
verschiebt sich der Treibriemen 26 des stufenlos einstellbaren
Getriebes 5 zu der Sekundär-Riemenscheibe 25,
so daß das
Getriebe in die Low-Position gebracht wird, welche das maximale
Drehzahlverhältnis
hat.
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Wenn
der Ganghebel in den Antriebsbereich beim Starten des Fahrzeugs
geschoben wird, so wird die Vorwärts-Kupplung 17 des
Vorwärts-Rückwärts-Umschaltgetriebes 4 in
der Vorwärts-Stellung eingerückt. Das
zu dem Drehmomentwandler 12 übertragene Drehmoment der Maschine 1 wird
der Primärwelle 20 über das
Vorwärts-Rückwärts-Umschaltgetriebe 4 zugeführt. Dann
wird die Kraft beim größten Drehzahlverhältnis von
Low zu der Sekundärwelle 23 übertragen,
und zwar über
die Primär-Riemenscheibe 22,
den Treibriemen 26 und die Sekundär-Riemenscheibe 25,
und dann über
das Differential 6 auf die Räder 33 übertragen.
Somit beginnt das Fahrzeug zu fahren.
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Wenn
das Übertragungsdrehmoment
des Getriebes 5 groß ist,
so wird der Elektromagnetstrom Is des Sekundärsteuerventils 60 reduziert.
Dann wird der Vorsteuerdruck Pc und somit auch der Sekundärdruck Ps
bei hohen Werten gesteuert. Dadurch wird der Treibriemen 26 durch
die Klemmkraft des Sekundärzylinders 24 festgeklemmt,
so daß ein
Treibriemenschlupf aufgrund des hohen Übertragungsdrehmomentes verhindert
werden kann. Wenn andererseits das Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten
in der OD-Stellung fährt,
so wird der Vorsteuerdruck Pc aufgrund des höchsten Elektromagnetstromes
Is näherungsweise
zu Null, und infolgedessen wird der Sekundärdruck Ps auf dem Minimalwert Psmin
gehalten.
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Wenn
das Fahrzeug beginnt, sich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit
zu bewegen, so wird der Elektromagnetstrom Ip des Primärsteuerventils 70 allmählich verringert,
um den Vorsteuerdruck Pc zu erhöhen;
damit steigt auch der Primärdruck
Pp allmählich
von Null aus an. Die Klemmkraft durch den Primärzylinder 21 wird
an den Treibriemen 26 angelegt, und zwar in einer Verschiebungsrichtung
nach oben, während
das Drehzahlverhältnis rasch
zu dem minimalen Drehzahlverhältnis
OD hin verschoben wird. Auf diese Weise kann das Fahrzeug in ökonomischer
Weise in einem breiten Drehzahl- bzw.
Geschwindigkeitsbereich fahren.
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Wenn
andererseits beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit unter eine
vorgegebene Geschwindigkeit abfällt,
so wird umgekehrt der Elektromagnetstrom Ip des Primärsteuerventils 70 allmählich erhöht, um den
Vorsteuerdruck Pc und zugleich den Primärdruck Pp zu reduzieren; dabei
wird der Treibriemen 26 wieder in die Low-Position bewegt bzw.
das Fahrzeug heruntergeschaltet. Auf diese Weise wird das Drehzahlverhältnis des
Fahrzeuges stufenlos zwischen Low und OD verändert bzw. eingestellt. Bei
einem sogenannten Kickdown wird der Primärdruck Pp momentan auf Null
reduziert, um ein rasches Herunterschalten in die Low-Position zu
erzielen.
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Für das Primärsteuerventil 70 gilt
folgendes. Wenn Pp = 0 ist und wenn beispielsweise der Vorsteuerdruck
Pc1 unter Berücksichtigung
der Situation in der Praxis auf 0,1 MPa eingestellt wird, dann wird die
Last der Feder 73 bei einem kleinen Wert eingestellt, der
dann 0,1·S2
beträgt.
Weiterhin wird das Übersetzungsverhältnis α des Steuerschiebers 72 so eingestellt,
daß es
Werte von 1,11 bis 1,5 hat, was größer als 1 und dicht bei 1 ist.
Für den
Fall Ps ≤ Ppmax
wird der Vorsteuerdruck Pc auf hohem Pegel gesteuert, der mit dem
Sekundärdruck
Ps zusammenfällt.
Für den
Fall, daß der
Leitungsdruck den Wert Psmin hat und das Übersetzungsverhältnis OD
beträgt,
wird der Primärdruck
Pp gleich dem Sekundärdruck
Ps; infolgedessen kann die Fläche
Ap des Hauptzylinders 21 reduziert werden, um das Trägheitsmoment
klein zu machen.
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Aus 5 läßt sich
deutlich entnehmen, daß für den Fall
Pp = Ps und wenn das Übersetzungsverhältnis bei
dem Minimalwert ist, d.h. in der OD-Position, die Druckdifferenz
Ps – Pc
gemäß dem Übersetzungsverhältnis α sehr klein
wird. Infolgedessen kann der Ölverbrauch
q des Vorsteuerventils 74 reduziert werden.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ergibt sich zusammenfassend, daß bei der
Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
weil das Verschiebungs-Steuerventil so konzipiert ist, daß der Vorsteuerdruck
bei einem Wert nahe Null ausgebildet wird für den Fall, daß der Primärdruck Null
ist und das Übersetzungsverhältnis mit
einem Wert vorgegeben ist, der zwischen 1,11 und 1,5 liegt, der
Primärdruck
sicher in der Weise gesteuert werden kann, daß er in einem Bereich zwischen
Null und einem Druckpegel liegt, der mit dem Sekundärdruck übereinstimmt,
so daß die
Fläche
des Primärzylinders
verringert werden kann, um das Trägheitsmoment zu reduzieren.
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Weiterhin
kann der Ölverbrauch
beim Vorsteuerventil des Verschiebungs-Steuerventils verringert
werden bei dem minimalen Drehzahlverhältnis, welches am häufigsten
verwendet wird. Dies ermöglicht
es, eine Ölpumpe
mit kleinerer Kapazität
zu verwenden oder aber Energieverluste in der Ölpumpe zu reduzieren. Da weiterhin
die Differenz zwischen dem Vorsteuerdruck und dem Primärdruck bei
niedrigem Pegel gesteuert wird, kann die Ölleckage aus dem Vorsteuerventil
reduziert werden; infolgedessen kann der Hydraulikdruck des Systems
stabil gehalten werden.