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Die
Erfindung betrifft ein Drehschieberventil, insbesondere für hydraulische
Hilfskraftlenkungen bei Kraftfahrzeugen, mit einer Steuerbuchse
und einem Drehschieber, der sich innerhalb der Steuerbuchse um eine
gemeinsame Längsachse
verdrehen kann, wobei der Drehschieber und die Steuerbuchse mehrere
Steuerkanten aufweisen, von denen eine Steuerkante der Steuerbuchse
mit jeweils einer nächstliegenden
Steuerkante des Drehschiebers Steuerspalte ausbildet, und benachbarte
Steuerspalte von Zulauföffnungen
für ein
Hydraulikfluid eine Steuergeometrie festlegen.
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Drehschieberventile
sind allgemein bekannt und werden beispielsweise von der Automobilindustrie
in hydraulische Hilfskraftlenkungen eingebaut. In der Regel weisen
solche Lenkungen einen Arbeitszylinder auf, der durch einen Kolben
in zwei Arbeitsräume
unterteilt wird. Das Drehschieberventil ist mit den beiden Arbeitsräumen verbunden
und steuert mit einem Hydraulikfluid den Druck in den Arbeitsräumen. Durch
einen manuellen Lenkradeinschlag wird das Drehschieberventil angesprochen
und sorgt für
einen Druckunterschied Δp
in den Arbeitsräumen
des Arbeitszylinders. Der entstehende Druck auf den Kolben erzeugt
letztlich eine hydraulische Unterstützungskraft, die zusätzlich zur
mechanisch übertragenen
Lenkkraft beim Einschlagen des Lenkrads wirkt.
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Grundsätzlich ist
es wünschenswert,
daß die Charakteristik
einer Servolenkung an vorgegebene Parameter angepaßt werden
kann. Eine Möglichkeit dieser
Anpassung offenbart die
EP
0 773 156 B1 . In dieser Schrift wird ein Drehschieberventil
beschrieben, das durch eine axiale Verschiebung des Drehschiebers
gegenüber
der Steuerbuchse unterschiedliche Kennlinien des Drehschieberventils
festlegt. Die
EP 1
131 239 B1 beschreibt ein Verfahren zur Montage eines derartigen
Drehschieberventils. Um bei diesen Drehschieberventilen eine gewünschte Kennlinie
zu erhalten, muß der
Drehschieber zunächst durch
Rotation um die gemeinsame Längsachse
auf eine hydraulische Mittenposition ausgerichtet und drehfest verklemmt
werden. Danach erfolgt eine weitere Justierung in axialer Richtung.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Beibehaltung der
Möglichkeit,
mit einem Drehschieberventil unterschiedliche Kennlinien zu erzeugen,
eine vorteilhaftere Konstruktion für das Drehschieberventil zu
schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Drehschieberventil der eingangs genannten Art gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß das Drehschieberventil
wenigstens zwei verschiedene Steuergeometrien aufweist. Ein Vorteil
eines solchen Drehschieberventils ist, daß durch verschiedene Steuergeometrien
in Umfangsrichtung eine Verstellmöglichkeit bei der Montage des
Drehschieberventils, lediglich durch Rotation des Drehschiebers
gegenüber
der Steuerbuchse, gegeben ist. Somit ist beim Einstellen einer gewünschten
Kennlinie des Drehschieberventils keine axiale Verschiebung des Drehschiebers
gegenüber
der Steuerbuchse nötig. Der
Drehschieber muß nach
dem Einsetzen in die Steuerbuchse nur noch auf seine hydraulische
Mittenposition durch geringfügiges
Rotieren um seine sog. Montageposition ausgerichtet werden.
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In
einer Ausführungsform
legt der Drehschieber durch verschiedene Montagepositionen, die
sich lediglich durch einen vorgegebenen Verdrehwinkel des Drehschiebers
relativ zur Steuerbuchse unterscheiden, neue Steuergeometrien fest,
wobei jeder Montageposition des Drehschiebers eine charakteristische
Kennlinie des Drehschieberventils zugeordnet ist. In einer besonders
bevorzugten Ausfüh rungsform
sind diese charakteristischen Kennlinien in jeder Montageposition
des Drehschiebers unterschiedlich. Für den Fall, daß die Toleranz
zu einer gewünschten Kennlinie
des Drehschieberventils reduziert werden soll, bietet diese Ausführungsform
eine Schar von Kennlinien an, aus der die am besten passende Kennlinie
gewählt
werden kann.
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Die
Montagepositionen können
sich durch die Höhe
der Steuerspalte unterscheiden, in anderen Ausführungsformen durch die Länge der
Steuerspalte. Hinsichtlich eines möglichst geringen Herstellungsaufwandes
haben sich Ausführungsvarianten als
besonders vorteilhaft erwiesen, bei denen sich in den verschiedenen
Montagepositionen sowohl die Höhe
als auch die Länge
der Steuerspalte unterscheiden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug
genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1a–1d ein
Funktionsprinzip anhand von vier Querschnitten einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehschieberventils;
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2 ein
Diagramm bei dem ein Durchflußquerschnitt über einem
Verdrehwinkel für
das Drehschieberventil nach 1 aufgetragen
ist;
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3 ein
Diagramm mit Kennlinien des Drehschieberventils nach 1;
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4 das
Funktionsprinzip einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehschieberventils;
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5 eine
Abwicklung der Steuerbuchse und des Drehschiebers des Drehschieberventils nach 4;
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6 ein
Beispiel möglicher
Steuergeometrien der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehschieberventils;
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7 ein
Diagramm bei dem der Durchflußquerschnitt über dem
Verdrehwinkel für
das Drehschieberventil nach 6 aufgetragen
ist;
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8 ein
Diagramm mit Kennlinien des Drehschieberventils nach 6;
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9 einen
Drehschieber und eine Steuerbuchse gemäß einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehschieberventils;
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10 ein
Beispiel möglicher
Steuergeometrien der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehschieberventils;
und
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11 ein
Diagramm mit Kennlinien des Drehschieberventils nach 10.
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Die 1a bis 1d zeigen
vier Querschnitte eines Drehschieberventils 10, mit einer
Steuerbuchse 12 und einem Drehschieber 14. Die
Ziffern 1 bis 4 auf der Steuerbuchse 12 markieren
Zulauföffnungen 15 für ein Hydraulikfluid.
Die Steuerbuchse 12 besitzt die Form eines Hohlzylinders
mit einer Längsachse,
wobei die Innenseite der Steuerbuchse 12 mehrere axiale
Steuernuten 16 aufweist. Jede Steuernut 16.1 bis 16.8 legt
zwei Steuerkanten 18 auf der Steuerbuchse 12 fest.
Der Drehschieber 14 ist drehbar in der Steuerbuchse 12 geführt und
besitzt die Form eines Zylinders. Er weist an seiner Außenseite
Steuernuten 20 und verbleibende Stege 22 auf. Auch
auf dem Drehschieber 14 legen die Steuernuten 20 jeweils
zwei Steuerkanten 24 fest.
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In
einer ersten Montageposition (1a) erstrecken
sich die Stege 22 des Drehschiebers 14 im wesentlichen über die
Steuernuten 16 der Steuerbuchse 12. Die jeweils
nächstliegenden
Steuerkanten der Steuerbuchse 12 und des Drehschiebers 14 bilden
Steuerspalte 26 aus. Die benachbarten Steuernuten 16.1 und 16.2 der
Zulauföffnung 15.2 legen also
beispielsweise mit den angrenzenden Stegen 22 des Drehschiebers 14 die
Steuerspalte 26.1 und 26.2 fest. Analog werden
die benachbarten Steuerspalte der Zulauföffnung 15.3 mit 26.3 und 26.4,
die benachbarten Steuerspalte der Zulauföffnung 15.4 mit 26.5 und 26.6 sowie
die benachbarten Steuerspalte der Zulauföffnung 15.1 mit 26.7 und 26.8 bezeichnet. Eine
Höhe der
Steuerspalte ist definiert als kleinstmöglicher Abstand zweier spaltbildender
Steuerkanten 18, 24. Die Steuerspalte 26.1 und 26.2 haben
in einer hydraulischen Mittenposition identische Abmessungen, da
sie die beiden benachbarten Steuerspalte der Zulauföffnung 15.2 sind.
Die Steuerspalte 26.1 und 26.2 legen eine Steuergeometrie
fest, genau wie die benachbarten Steuerspalte der weiteren Zulauföffnungen 15.1, 15.3 und 15.4.
Die Steuergeometrie ist definiert durch die axiale Länge und
die Höhe
der beiden Steuerspalte sowie durch deren axiale Lage und Entfernung
in Umfangsrichtung zueinander. In der ersten Montageposition (1a)
sind die Länge,
die Höhe
und die axiale Lage der Steuerspalte 26 zueinander weitgehend
identisch.
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Die 1b zeigt
eine zweite Montageposition, in der der Drehschieber 14 im
Vergleich zu 1a um 90° im Uhrzeigersinn rotiert wurde.
Die Ziffern 1 bis 4 auf dem Drehschieber 14 verdeutlichen dies.
Ein Vergleich der Steuerspalte 26.3/ 26.4 mit z.B.
den Steuerspalten 26.1/26.2 zeigt in dieser Montageposition
bereits unterschiedliche Steuerspalthöhen. Dies wird durch die unterschiedlichen
Steuergeometrien, in der ersten Ausführungsform also im wesentlichen
infolge der unterschiedlichen Abmessungen der Steuernuten 16, 20 in
Umfangsrichtung, erreicht.
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Durch
eine weitere Rotation des Drehschiebers 14 um 90° in Uhrzeigerrichtung
ergibt sich gemäß 1c eine
dritte Montageposition mit unterschiedlichen Steuerspaltbreiten.
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In
der 1d wurde der Drehschieber 14 nochmals
um weitere 90° im
Uhrzeigersinn rotiert, wodurch eine vierte Montageposition entstanden
ist. In dieser Montageposition grenzen in der Nachbarschaft der
Zulauföffnung 15.2 die,
in Umfangsrichtung betrachtet, schmalsten Stege 22 des
Drehschiebers 14 an die, in Umfangsrichtung betrachtet,
breitesten Steuernuten 16 der Steuerbuchse 12 an.
Hierdurch entstehen die breitesten Steuerspalte 26.1 und 26.2 der
ersten Ausführungsform.
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Die
Steuerspalte 26 bestimmen in jeder Montageposition einen
Durchflußquerschnitt
A für das Hydraulikfluid
und folglich einen Durchflußwiderstand.
Die Summe der Durchflüsse
durch die Steuerspalte 26.1, 26.3, 26.5 und 26.7 ergibt
dabei einen ersten Durchflußquerschnitt,
die Summe der Durchflüsse
durch die Steuerspalte 26.2, 26.4, 26.6 und 26.8 ergibt
einen zweiten Durchflußquerschnitt
zu den Arbeitsräumen
des Arbeitszylinders. In der hydraulischen Mittenposition sind beide
Durchflußquerschnitte
gleich. Je nach Richtung des Lenkradeinschlags verringert sich der
eine Durchflußquerschnitt,
während
sich der andere vergrößert, und
umgekehrt. In 2 ist der erste Durchflußquerschnitt über einem
Verdrehwinkel α des
Drehschiebers 14 zur Steuerbuchse 12 infolge eines
Lenkradeinschlags dargestellt, wobei der Verdrehwinkel α im Bereich
von ungefähr
3° liegt.
Die Kurve des zweiten Durchflußquerschnitts
entspräche
einer Spiegelung des ersten Durchflußquerschnitts an der Ordinatenachse.
Die Ziffern an den Kurven entsprechen den Montagepositionen in 1.
In der hydraulischen Mittenposition, also bei Null auf der Abszisse,
steigt der Durchflußquerschnitt
A, analog zur maximalen Spaltbreite, kontinuierlich von der Montageposition 1 bis 4 an.
Ferner zeigt das Diagramm der 2, daß sich die
Kurven, die zu den Montagepositionen mit größeren Spaltbreiten gehören erst
bei einem größeren Verdrehwinkel α dem Minimum
des Durchflußniveaus
annähern.
Da der Drehschieber 14 in der Steuerbuchse 12 ohne
großen
Widerstand drehbar sein muß,
ist das Drehschieberventil 10 nie ganz dicht, selbst wenn
die Stege des Drehschiebers 14 und der Steuerbuchse 12 aneinandergrenzen.
Der Durchflußquerschnitt
erreicht deshalb nie Null, sondern lediglich ein Minimum nahe Null.
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Die 3 zeigt
ein zugehöriges
Diagramm, in dem ein Druckunterschied Δp der Arbeitsräume des
Arbeitszylinders über
einem Lenkmoment M aufgetragen ist. Eingezeichnet sind Kennlinien
des Drehschieberventils aus 1, wobei
die Kennlinien entsprechend den Montagepositionen 1 bis 4 beziffert
sind. Die Kennlinie 4 entspricht also der vierten Montageposition
in 1d mit der maximalen Breite der Steuerspalte 26.1 und 26.2.
Um einen hohen Druckunterschied in den Arbeitsräumen des Arbeitszylinders zu
erzielen, muß einer
der Durchflußquerschnitte
zu den Arbeitsräumen
sein Minimum erreichen. Dies geschieht in der vierten Montageposition erst
bei einem verhältnismäßig großen Verdrehwinkel α (vgl. 2).
Für einen
großen
Verdrehwinkel α muß ein entsprechend
großes Lenkmoment
M aufgebracht werden. Daher erfolgt in 3 der steile
Anstieg des Druckunterschieds Δp
erst bei relativ großen
Lenkmomenten M. Nach diesem Prinzip legt gemäß 3 jede Montageposition
eine andere Kennlinie fest.
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Die 4 zeigt
das Funktionsprinzip einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehschieberventils 10.
Auf der linken Seite sind drei sog. Hydraulikbrücken (gestrichelt eingerahmt)
in der ersten Montageposition (gekennzeichnet durch die Ziffer 1)
eines Drehschieberventils 10 mit sechs Steuernuten 16, 20 gezeigt.
Jede Hydraulikbrücke
ist durch eine charakteristische Steuergeometrie gekennzeichnet,
weist einen symbolisch dargestellten Durchflußwiderstand auf und legt einen
Teildurchfluß fest,
der zwischen einem Minimum und einem Maximum liegt (4,
oben rechts). Bei einem Drehschieberventil mit sechs Steuernuten 16, 20 ergeben sich
durch Rotation des Drehschiebers 14 um jeweils 120° in der Steuerbuchse 12 drei
verschiedene Montagepositionen („6-land" Ventil). Infolge der Kombination der
verschiedenen Steuergeometrien entstehen drei unterschiedliche Durchflußquerschnitte
für ein Hydraulikfluid.
Die Durchflußquerschnitte
sind in der 4 unten rechts als Balken dargestellt
und entsprechend ihrer Montageposition mit 1 bis 3 beziffert. Aus
den unterschiedlichen Durchflußquerschnitten ergeben
sich dann letztlich die unterschiedlichen Kennlinien des Drehschieberventils 10.
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Die 5 zeigt
eine Abwicklung der Steuerbuchse 12 und des Drehschiebers 14 der
zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehschieberventils.
Auf der linken Seite der 5 ist die Steuerbuchse 12 mit
den Zulauföffnungen 15 und Übertragungsöffnungen 28a und 28b zu
sehen. Die Übertragungsöffnungen 28a und 28b sind
mit den Arbeitsräumen
des Arbeitszylinders verbunden. Weiter ist zu sehen, daß die Steuernuten 16 der
Steuerbuchse 12 paarweise gleich lang und axial gegeneinander versetzt
sind. Auf der rechten Seite der 5 ist der Drehschieber 14 mit
seinen Auslaßöffnungen 30 in jeder
zweiten Steuernut 20 des Drehschiebers zu sehen, wobei
sich die Steuerkanten 24 des Drehschiebers 14 in
ihrer axialen Länge
unterscheiden. Würde man
nun die beiden Abwicklungen übereinander schieben,
so würden
sich die drei Steuergeometrien in der ersten Montagestellung von 4 ergeben.
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Die 6 zeigt
ein Beispiel möglicher
Steuergeometrien der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehschieberventils
in der Abwicklung. Es ist ein Drehschieberventil 10 mit
acht Steuernuten 16, 20 abgebildet, dementsprechend sind
die dargestellten Montagepositionen 1 bis 4 möglich. Sie
unterscheiden sich bei einem solchen Drehschieberventil 10 durch
Rotation des Drehschiebers 14 um jeweils 90° gegenüber der
Steuerbuchse 12 („8-land" Ventil). Im Unterschied
zur ersten Ausführungsform
sind die Steuergeometrien in Umfangsrichtung weitgehend identisch;
sie unterscheiden sich hier durch axiale Lage und Länge der
Steuerspalte 26. Die Steuerspaltlänge ist definiert als die axiale
Abmessung, über
die sich beide spaltbildenden Steuerkanten 18, 24 erstrecken.
Sind die Steuernuten 16, 20 und damit auch die
Steuerkanten 18, 24 axial versetzt angeordnet,
ist demzufolge die Steuerspaltlänge
nicht mit der Steuerkantenlänge
identisch. Entsprechend dem in 4 dargestellten
Prinzip sind die Steuergeometrien und Montagepositionen in 6 so
gewählt,
daß der
Durchflußquerschnitt
A in der hydraulischen Mittenposition von links nach rechts stetig
abnimmt.
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Im
Diagramm der 7 ist der Durchflußquerschnitt
A über
dem Verdrehwinkel α aufgetragen. Die
eingezeichneten Kurven sind gemäß den Montagepositionen
der 6 bezeichnet. Die Erklärungen zum Diagramm entsprechen
weitgehend den Erläuterungen
zu 2. Hier sei allerdings auf die Besonderheit hingewiesen,
daß alle
Kurven nahezu gleichzeitig den minimalen Durchflußquerschnitt
erreichen. Dadurch, daß die
Breite der Steuerspalte 26 in allen Montagepositionen der
zweiten Ausführungsform konstant
ist, wird der minimale Durchflußquerschnitt A
stets beim gleichen Verdrehwinkel α erreicht.
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Analog
zur ersten Ausführungsform
in 3 zeigt 8 die Kennlinien
der zweiten Ausführungsform
des Drehschieberventils 10 aus 6, wobei der
Druckunterschied Δp
wieder über
dem Lenkmoment M aufgetragen ist. Die vier eingezeichneten Kennlinien
beziehen sich auf die Montagepositionen 1 bis 4 aus
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6.
Die 8 macht deutlich, daß auch in der zweiten Ausführungsform
infolge unterschiedlicher Montagepositionen unterschiedliche Kennlinien des
Drehschieberventils 10 erreicht werden.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen ist
insbesondere die Herstellung des Drehschiebers 14 relativ
aufwendig. In der ersten Ausführungsform müssen nämlich in
den Drehschieber 14 (und die Steuerbuchse 12)
Nuten eingeformt werden, die in Umfangsrichtung unterschiedliche
Abmessungen haben. In der zweiten Ausführungsform erweist sich die Herstellung
von Steuerkanten 24 mit unterschiedlicher axialer Ausdehnung,
insbesondere am Drehschieber 14, als besonders schwierig.
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In
einer dritten Ausführungsform
gemäß den 9–11 wird
dieser Herstellungsaufwand erheblich reduziert, indem sich die Steuergeometrien durch
die Spaltlänge
und die Spalthöhe
der Steuerspalte 26 unterscheiden.
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Die 9 zeigt
die Steuerbuchse 12 und den Drehschieber 14 sowie
deren Abwicklung. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist der Abstand
der Steuerkanten 18 der Steuerbuchse 12 und anfänglich auch
der Abstand der Steuerkanten 24 des Drehschiebers 14 in
Umfangsrichtung gleich. Die axiale Abmessung der einzelnen Steuernuten 20 des
Drehschiebers 14 ist ebenfalls identisch, so daß der Drehschieber
zunächst
vollkommen rotationssymmetrisch hergestellt werden kann. Um eine
Variation der Spalthöhe
zu erreichen, werden die Steuerkanten 24 des Drehschiebers 14 unterschiedlich
gefast bzw. abgekantet. Die Abkantungen sind auf der rechten Seite der 9 schematisch
als einfacher planer Anschliff dargestellt, wobei im Detail unterschiedliche
Anschliffkonturen (z.B. im Querschnitt gesehen gekrümmt, polygonal,
plan etc.) und unterschiedliche Anschliffwinkel zu einer radialen
Geraden ausgeführt werden
können.
Im vorliegenden Beispiel sind die oberen vier Steuerkanten 24 (schwarz
dargestellt) schwächer
gefast als die unteren acht Steuerkanten 24 (hellgrau dargestellt).
Um eine Variation der Spaltlänge
zu erreichen, ist die Steuerbuchse 12 genau wie in der
zweiten Ausführungsform
nach 5 mit paarweise gleich langen und axial gegeneinander versetzten
Steuernuten 16 ausgebildet.
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Für das in 9 dargestellte
Drehschieberventil 10 mit sechs Steuernuten 16, 20 sind
drei Montagepositionen möglich
(„6-land" Ventil). Die Montagepositionen 1-3 sind
in 10 zu sehen und unterscheiden sich durch Rotation
des Drehschiebers 14 um jeweils 120° gegenüber der Steuerbuchse 12.
Jeweils vier Steuerspalte 26 bilden eine Hydraulikbrücke (gestrichelt
eingezeichnet) und legen einen Teildurchfluß (10, unten)
fest. Der Teildurchfluß hängt dabei
von der jeweiligen Steuerspalthöhe,
infolge der abgefasten Steuerkanten 24, und der Steuerspaltlänge, infolge
der unterschiedlich langen Steuernuten 16 der Steuerbuchse 12 ab.
Im vorliegenden Beispiel wirken die vier schwach gefasten Steuerkanten 24 des
Drehschiebers 14 (schwarz dargestellt) in jeder Montageposition
mit unterschiedlich langen Steuerkanten 18 der Steuerbuchse 12 zusammen, so
daß sich
in jeder Montageposition ein anderer Gesamtdurchfluß ergibt.
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Analog
zu den 3 und 8 zeigt 11 die
Kennlinien der dritten Ausführungsform
des Drehschieberventils 10 aus 9, wobei
der Druckunterschied Δp
wieder über
dem Lenkmoment M aufgetragen ist. Die drei eingezeichneten Kennlinien
beziehen sich auf die Montagepositionen 1 bis 3 aus 10.
Die 11 macht deutlich, daß auch in der dritten Ausführungsform
infolge unterschiedlicher Montagepositionen unterschiedliche Kennlinien
des Drehschieberventils 10 erreicht werden.
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Mit
diesen Kennlinien ist bei einem festen Druckwert herstellungsbedingt
eine statistische Momentenstreuung um einen Sollwert X gemäß 12 festgelegt.
Die Momenten-Verteilungskurve eines Drehschieberventils nach dem
derzeitigen Stand der Technik ist in 12 grau
hinterlegt dargestellt und entspricht im vorliegenden Beispiel der
Verteilungskurve des erfindungsgemäßen Drehschieberventils 10 in
seiner zweiten Montageposition. Die Abweichung vom Sollwert liegt
dabei in einem relativ großen
Toleranzbereich T1. Die gestrichelt eingezeichneten
Verteilungskurven 1 und 3 ergeben sich entsprechend
aus der ersten und dritten Montageposition des Drehschieberventils
nach 9 und 10. Durch die Wahl der „besten
Montageposition" überlagern
sich die Verteilungskurven 1–3 zur schraffiert ausgefüllten Verteilungskurve
mit wesentlich kleinerem Toleranzbereich T2.