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Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge mit Z entralhydraulik Stand
der Technik: Die Erfindung betrifft eine Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge mit
Zentralhydraulik nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In Kraftfahrzeugen mit Zentralhydraulik werden mehrere voneinander
unabhängige Verbraucher, wie z. B. Lenkung, Bremsen und Niveauregelung, deren Druckölbedarf
unterschiedlich groß ist, von einer einzigen Druckquelle versorgt. Um die Größe
der Druckquelle klein zu halten, ist normalerweise ein Druckspeicher vorgesehen,
welcher die Aufgabe hat, in Zeiten geringen Verbrauchs Drucköl zu speichern. Infolge
des
hohen Speicherdruckes, der etwa doppelt so hoch liegt als der
höchste Arbeitsdruck in einer normalen Durchfluß-Lenlung, ist die Ililfskraftlenkung
so ausgelegt, daß die zugehörige Steuereinrichtung in der Neutrallage den Durchfluß
zu einem Ölbehälter sperrt.
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Eine derartige Hilfskraftlenkung ist z. B. aus der DT-OS 2 222 334
bekannt, deren Steuereinrichtung aus zwei Steuerkolben und zwei Lenkkraftbegrenzungsventilen
besteht, die jeweils gleichachsig zueinander angeordnet sind. In den Auslenkstellungen
des Lenkhandrades wird hierbei dem Druckraum eines Servomotors Drucköl zugeleitet,
während der andere Steuerkolben den zu entlastenden Druckraum mit dem Ölbehälter
verbindet. Die Lenkkraftbegrenzungsventile haben hierbei die Aufgabe, am Lenkhandrad
über eine Verstelleinrichtung einerseits eine proportionale Rückwirkungskraft zu
erzeugen und andererseits diese Rückwirkungskraft über einen bestimmten Höchstwert
hinaus nicht weiter ansteigen zu lassen. Ein solches Lenkkraftbegrenzungsventil
besteht im wesentlichen aus einem vom Arbeitsdruck beaufschlagten Reaktionskolben
und einem koaxial angeordneten, auf einer Teilfläche vom Speicherdruck beaufschlagten
Begrenzungskolben.
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Dieses Ventil arbeitet als Druckwaage, d. h., die Begrenzung
der
Rückwirkungskraft wird rein hydraulisch vorgenommen. Um ausreichend große Rückwirkungskräfte
am Lenkhandrad zu erhalten, weisen der Reaktionskolben und der Begrenzungskolben
verhältnismäßig große Durchmesser auf. Es hat sich hierbei gezeigt, daß bei der
kurzen Führung des Reaktionskolbens eine leichte Klemmneigung nicht auszuschließen
ist. Hinzu kommt der Nachteil einer relativ großen Dichtlänge, insbesondere am Begrenzungskolben.
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Eine weitere Hilfskraftlenkung mit den eingangs ausgeführten Baumerkmalen
ist in der DT-OS 2 131 276 beschrieben.
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Die Steuereinrichtung dieser Lenkung enthält für jede Lenkrichtung
ein Lenkraftbegrenzungsventil mit einer vorgespannten Feder. Die Vorspannung dieser
Feder bestimmt hierbei -die Höhe der maximalen Rückwirkungskraft, die der Fahrer
beispielsweise bei einem- Einparkmanöver am Lenkhandrad überwinden muß. In diesem
Falle bleibt also nur noch die Federkraft wirksam. Sollen für bestimmte Lenkungsausführungen
höhere Lenk- bzw. Rückwirkungskräfte vorgesehen werden, so müssen entsprechend stärkere
Federn zum Einbau gelangen.
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Dies führt aber bei der gedrängten Ausbildung der gesamten Steuereinrichtung
zu Einbauschwierigkeiten.
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Aufgabe und Lösung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung zum Erzeugen und Begrenzen der Lenkkraft für eine Hilfskraftlenkung
mit Speicherbetrieb anzugeben, die ein einwandfreies Betriebsverhalten sichert und
die Rückwirkungskräfte in ausreichender Höhe auch bei kleinem Bauraum ermöglicht.
Die Begrenzungseinrichtung soll des weiteren Vorteile hinsichtlich der Fertigung
und der Einpassung in die Steuereinrichtung aufweisen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
2 und 3 enthalten.
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Erläuterung der Erfindung: Die Erfindung ist nachstehend anhand von
zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert: Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Hilfskraftlenkung mit einer aus zweiteiligen
Steuerkolben gebildeten Steuereinrichtung,
Fig. 2 einen vergrößerten
Querschnitt nach der Linie II -II der Fig. 1 bei weggelassenem Lenkgetriebegehäuse
mit einer schematischen Darstellung des Ölkreislaufes, Fig. 3 einen vergrößerten
Ausschnitt des erfindungsgemäßen Lenkkraftbegrenzungsventils gemäß Fig. 2, Fig.
4 eine weitere Ausführungsform einer Steuereinrichtung mit einteiligen Steuerkolben.
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Nach Fig. 1 ist in einem als Servozylinder ausgebildeten Lenkgetriebegehäuse
1 ein Arbeitskolben 2 gleichzeitig als Lenkmutter ausgeführt, die einerseits mit
einer Segmentwelle 3 und andererseits über eine Kugelreihe 4 mit einer Gewindespindel
5 im Eingriff steht. Die Gewindespindel 5 ist über einen Drehstab 6 mit einer Lenkspindel
7 verbunden, welche ein nicht dargestelltes Lenkhandrad trägt. Im Spindelkopf 8
der Gewindespindel 5 ist eine Steuereinrichtung 9 mit quer zur Spindelachse liegenden,
zweiteiligen Steuerkolben 10, 11 und 10 A, 11 A eingebaut. Hierbei sind, der Übersichtlichkeit
halber, die beiden baugleichen Steuerkolben mit denselben Ziffern, der in Fig. 1
rechts gelegene Steuerkolben jedoch noch mit dem zusätzlichen Buchstaben A, gekennzeichnet.
Zwei am unteren Ende der Lenkspindel 7 angeordnete Zapfen 12 und 12 A ragen durch
Bohrungen 14 bzw. 14 A im Spindelkopf 8 und greifen in die Steuerkolben 10, 11 und
10 A, 11 A ein, so daß diese beim Einleiten einer Drehbewegung mit dem Spindelkopf
drehend, axial verstellt werden. Hierbei erfolgt eine elastische Verdrehung de.
Drehstabs 6, bis ein Kegelsitz der
Steuerkolben, der anhand von
Fig. 2 noch näher zu erläutern ist, geöffnet wird, so daß jeweils einer Seite des
Arbeitskolbens 2 Drucköl zuströmt - Bei einem evtl. Ausfall der Ölpumpe oder beim
Bruch einer tlydraulikleitung kann auch mechanisch weitergelenkt werden. In diesem
Falle treiben die Zapfen 12 und 12 A nach überwinden des durch die Bohrungen 14
bzw. 14 A festgelegten Steuerspiels die Gewindespindel 5 direkt an. Wenn das Lenkhandrad
losgelassen wird, führt der Drehstab 6 die Steuereinrichtung 9 in die Neutrallage
zurück.
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Der Arbeitskolben 2 unterteilt das Lenkgetriebegehause 1 in zwei
Druckräume 16 und 17. Die Zuführung des Drucköls zur Steuereinrichtung 9 erfolgt
über einen Anschluß 18 im Lenkgetriebegehäuse 1, ein koaxial durch den Arbeitskolben
2 bis in die Gewindespindel 5 geführtes Rohr 21, eine Axialbohrung 22 sowie über
angedeutete Verbindungskanäle 23 und 24, die in einen Zulaufkanal 29/29 A (Fig.
2) münden. Der Zulaufkanal 29/29 A kann über die Steuereinrichtung 9 an eine Ringnut
25 bzw. 26 angeschlossen werden, die wie strichpunktiert angedeutet, mit dem Druckraum
16 bzw. 17 verbunden ist. Die Ringnut 25 bzw. 26 kann über die Steuereinrichtung
9 außerdem mit einem Rücklaufraum 27 verbunden werden, welcher über einen Anschluß
28 zu einem Ölbehälter führt.
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In Fig. 2 fördert eine Pumpe 31 Drucköl von dem Behälter 32 über
ein Speicherladeventil 33 und eine Leitung 34 zu einem Speicher 35. Von einer zum
Zulaufkanal 29 führenden Leitung 39 zweigen hinter dem Speicher 35 Leitungen 36
und 37 ab, die an weitere Verbraucher, z. B. die Bremsen und eine Niveauregelung,
angeschlossen sind. In den Spindelkopf 8 sind die aus Kolbenteilen 10, 11 bzw. 10
A, 11 A bestehenden Steuerkolben eingesetzt. Am einen Kolbenteil 10 bzw. 10 A ist
eine Kegelfläche 38 bzw. 38 A gebildet, die in der gezeichneten Neutralstellung
der Steuereinrichtung durch Federn 40 bzw. 40 A an einer Steuerkante 41 bzw. 41
A des Spindelkopfes 8 in Schließstellung gehalten wird. Die Kegelfläche 38 bzw.
38 A und die Steuerkante 41 bzw. 41 A sind hierbei Teile eines Kegelsitzes, so daß
die Kolbenteile 10 bzw. 10 A nur einseitig verschiebbar sind. Der Zapfen 12 bzw.
12 A greift durch ein Langloch 42 bzw. 42 A so in den Kolbenteil 10 bzw. 10 A ein,
daß sich einerseits ein geringes Ansprechspiel "S" und andererseits ein Totgang
"T" ergibt. Der Zapfen 12 bzw. 12 A greift außerdem in eine Bohrung 43 bzw. 43 A
des anderen Kolbenteils 11 bzw. 11 A spielfrei ein, welcher in den Kolbenteil 10
bzw. 10 A hineinragt.
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Der Zulaufkanal 29 und 29 A leitet das Drucköl in einen Ringkanal
46 bzw. 46 A, der über den Kegelsitz 38, 41 bzw.
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38 A, 41 A mit einer Ringnut 47 bzw. 47 A des Kolbenteils
10
bzw. 10 A zu-sammenwirkt. Die Ringnut 47 bzw. 47 A ist über eine Leitung 44 bzw.
45 an den Druckraum 17 bzw. 16 angeschlossen. Da die Hilfskraftlenkung mit dem Speicher
35 betrieben wird und dieser sich nicht entladen darf, muß der Kegelsitz 38, 41
bzw. 38 A, 41 A in der gezeichneten Neutralstellung geschlossen sein, d. h., es
ist kein Durchlauf von Drucköl durch die Steuereinrichtung 9 möglich, solange nicht
gelenkt wird.
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Im Spindelkopf 8 sind weitere-Ringnuten 48 bzw. 48 A vorgesehen,
die mit Ringnuten 50 bzw. 50 A in den Kolbenteilen 11 bzw. 11 A zusammenwirken.
Von der Leitung 44 bzw. 45 ist eine Zweigleitung 51 bzw. 52 an die Ringnut 48 bzw.
48 A geführt. Die Ringnut -50 bzw. 50 A steht über mehrere Radialbohrungen 53 bzw.
53 A und eine Axialbohrung 54 bzw. 54 A mit dem an den Behälter 32 angeschlossenen
Rücklaufraum 27 in Verbindung. Ein zwischen den beiden Kolbenteilen 10, 11 bzw.
10 A, 11 A liegender Raum 55 bzw. 55 A ist über weitere Radialbohrungen 56 bzw.
56 A an die Axialbohrung 54 bzw. 54 A angeschlossen.
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In den Spindelkopf 8 ist eine Kappe 57 bzw. 57 A eingesetzt, in welcher
der Kolbenteil 10 bzw. 10 A eingepaßt ist.
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Auf diese Weise entsteht ein Rückwirkungsraum 58 bzw. 58 A,
der
auch die Feder 40 bzw. 40 A aufnimmt. In eine abgesetzte Bohrung 60 bzw. 60 A des
Kolbenteils 10 bzw. 10 A ist ein als Stufenkolben 61 bzw. 61 A ausgeführtes Lenkraftbegrenzungsventil
eingesetzt, welches nachfolgend anhand der Ausschnittvergrößerung von Fig. 3 am
Kolbenteil 10 A näher erläutert ist: Die über die Leitung 45 an den Druckraum 16
angeschlossene Ringnut 47 A steht über eine Dämpfungsbohrung 62 A sowie über eine
Steuernut 63 A, eine Radialbohrung 64 A und eine Sackbohrung 65 A im Stufenkolben
61 A mit dem Rückwirkungsraum 58 A in Verbindung. Im Rückwirkungsraum 58 A wird
bei geöffnetem Ventilsitz 38 A, 41 A eine Stirnfläche 66 A des Kolbenteils 10 A
vom Arbeitsdruck beaufschlagt, während der Raum 55 A, wie bereits ausgeführt, druckentlastet
ist.
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Gleichzeitig wirkt auch auf eine dem Rückwirkungsraum 0 A zugewandte
Gesamtfläche 70 A des Stufenkolbens 61 A der Arbeitsdruck. Durch den in die abgesetzte
Bohrung 60 A eingesetzten Stufenkolben 61 A entsteht eine Kammer 67 A, die über
eine Bohrung 68 A an den Ringkanal 46 A angeschlossen ist. Eine in der Kammer 67
A liegende Stufenfläche 71 A ist daher über den Zulaufkanal 29 A und 29 (Fig. 2)
mit dem Speicherdruck beaufschlagt, so daß sich der Stufenkolben 61 A in seiner
Ausgangsstellung an einem Anschlagring 72 A abstützt.
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Die Wirkungsweise: Beim Lenken im normalen Fahrbetrieb arbeitet die
Hilfskraftlenkung wie folgt: Wird nach Fig. 2 die Lenkspindel 7 mit den Zapfen 12
bzw. 12 A beispielsweise nach rechts gedreht, so wird der Kolbenteil 11 nach rechts
und der gesamte Steuerkolben 10 A, 11 A nach links verstellt. Dadurch, daß der Zapfen
12 durch das Langloch 42 im Kolbenteil 10 hindurch und spielfrei in den Kolbenteil
11 eingreift, führt nur der letztere Kolbenteil innerhalb des Totganges "T" eine
Bewegung nach rechts aus. Der Kolbenteil 10 behält die gezeichrete Schließstellung
in bezug auf den Kegelsitz 38, 41 weiterhin bei. Demgegenüber wird der Kolbenteil
11 A spielfrei und der Kolbenteil 10 A nach Überwinden des Ansprechspiels "S" nach
links mitgenommen. Die von Hand eingeleitete Drehbewegung wird nunmehr durch eine
vielfach größere hydraulische Hilfskraft unterstützt, indem das unter Speicherdruck
stehende Drucköl dem Arbeitskolben 2 zugeleitet wird. Durch das Verstellen des Steuerkolbens
10 A, 11 A nach links ist nämlich der Ventilsitz 38 A, 41 A geöffnet und die den
Speicherdruck führende Leitung 39 ist über den Zulaufkanal 29/29 A, den Ringkanal
46 A, die Ringnut 47 A und über die Leitung 45 mit
dem Druckraum
16 verbunden, so daß der Arbeitskolben 2 nach links bewegt wird. Da der Kolbenteil
11 gleichzeitig nach rechts verstellt ist, kann das aus dem Druckraum 17 verdrängte
Öl über die Leitungen 44 und 51, die Ringnuten 48 und 50, die Radialbohrungen 53,
die Axialbohrung 54 und den Rücklaufraum 27 zum Behälter 32 abströmen. Während dieses
Lenkvorganges wird der in der Ringnut 47 A und in der Leitung 45 herrschende Arbeitsdruck
über die Dämpfungsbohrung 62 A, die Radialbohrung 64 A und die Sackbohrung 65 A
(Fig. 3) in den Rückwirkungsraum 58 A übertragen, wo er auf die Stirnfläche 66 A
des Kolbenteils 10 A und die Gesamtfläche 70 A des Stufenkolbens 61 A wirkt. Da,
wie erwähnt, der gesamte Steuerkolben 10 A, 11 A nach links bewegt wird, muß dieser
Druck im Rückazirkungsraum 58 A, der als proportionale Rückwirkungskraft am Lenkhandrad
spürbar ist, vom Fahrer überwunden werden. Hieraus ergibt sich das sogenannte Lenkgefühl,
d. h., die Hilfskraftlenkung vermittelt den erwünschten Fahrbahnkontakt. Der Stufenkolben
70 A behält dabei seine in Fig. 2 und 3 dargestellte Ausgangsstellung bei, da über
den Ringkanal 46 A und die Bohrung 68 A der hohe Speicherdruck in der Kammer 67
A auf die Stufenfläche 71 A wirkt und das Flächenverhältnis 71 A zu 70 A wie etwa
1 : 3 ist. Die Druckdifferenz zwischen dem Speicherdruck und dem Arbeitsdruck ergibt
sich durch den Steuerspalt des Ventilsitzes 38 A, 41 A, der als Drosselstelle wirkt
und aus dem Kraftbedarf am Arbeitskolben 2.
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Der sich am Arbeitskolben 2 aufbauende Druck steigt immer nu so hoch
an, wie durch den jeweiligen Lenkwiderstand vorgegeben. Wirkt während eines Lenkvorganges
eine äußere Kraft über die lenkbaren Räder auf den Arbeitskolben 2 ein, so wird
die Steuereinrichtung 9 in die Neutralstellung bewegt und der Ölzufluß zum Servozylinder
16/17 unterbrochen.
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Da der normale Lenkbereich etwa nur ein Drittel des Gesamtlenkradweges
ausmacht, ist der Anstieg der auf den Kolbenteil 10 A einwirkenden Rückwirkungskraft
auf einen Höchstwert nur innerhalb dieses Bereiches erwünscht. Beim Einparken soll
kein weiterer Lenkkraftanstieg spürbar sein.
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Die Begrenzung der Rückwirkungskraft auf einen Höchstwert geschieht
wie folgt: Steigt der Arbeitsdruck im Rückwirkungsraum 58 A über einen bestimmten
Wert, z. B. ein Drittel des maximalen Arbeitsdruckes an, so wird die Kraft des Druckes
auf die Gesamtfläche 70 A größer, als die Kraft des Speicherdruckes auf die Stufenfläche
71 A. Der Stufenkolben 61 A bewegt sich daher vom Anschlagring 72 A nach rechts,
so daß die Verbindung von der Dämpfungsbohrung 62 A zur Steuernut 63 A unterbrochen
und damit der Zufluß zum Rückwirkungsraum 58 A gesperrt ist. Bei weiterem Druckanstieg
im Rückwirkungsraum 58 A durch Lecköl bewegt sich der Stufenkolben 61 A
noch
weiter nach rechts, bis die Steuernut 63 A einen Anschluß zum Raum 55 A herstellt,
der über die Radialbohrungen 56 A und die Axialbohrung 54 A an den Rücklaufraum
27 (Fig. 2) angeschlossen ist. Dadurch ist der Drucküberschuß im Rückwirkungsraum
58 A abgebaut und die am Lenkhandrad spürbare Rückwirkungskraft auf einen Höchstwert
begrenzt.
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Beim Drehen der Lenkspindel 7 mit den Zapfen 12 bzw. 12 A nach links
(Fig. 2) wird der Steuerkolben 10, 11 nach links und der Kolbenteil 11 A nach rechts
verstellt. Dabei wird der Ventilsitz 38, 41 geöffnet und der Zulaufkanal 29 erhält
über den Ringkanal 46, die Ringnut 47 und die Leitung 44 mit dem Druckraum 17 Verbindung.
Gleichzeitig wird bei nach rechts verschobenem Kolbenteil 11 A der Druckraum 16
über die Leitung 52, die Ringnuten 48 A und 50 A, die Radialbohrungen 53 A, die
Axialbohrung 54 A sowie über den Rücklaufraum 27 zum Behälter 32 entlastet. Der
Arbeitskolben 2 bewegt sich nach rechts. Die Begrenzung der Rückwirkungskraft beim
Einparken erfolgt in dieser Lenkrichtung durch den Stufenkolben 61 auf die gleiche
Weise, wie vorstehend am Stufenkolben 61 A bereits näher erläutert.
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Ausführungsform nach Fig. 4: Anstelle der zweiteiligen Steuerkolben
10, 11 bzw. 10 A, 11 A mit Kegelsitz sind auch einteilige Steuerkolben 110 bzw.
110 A gemäß Fig. 4 anwendbar. Der den Speicherdruck
führende Zulaufkanal
129 bzw. 129 A leitet hierbei das Drucköl einer Ringnut 138 bzw. 138 A zu, die mit
einer Ringnut 143 bzw. 143 A im Steuerkolben 110 bzw. 110 A zusammenwirkt. Die Ringnut
143 bzw. 143 A ist über eine Leitung 145 bzw. 144 an den Druckraum 16 bzw. 17 angeschlossen.
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Im Spindelkopf 108 ist eine weitere, mit einem Rücklaufkanal 153 bzw.
153 A verbundene Ringnut 147 bzw. 147 A eingedreht, welche gleichfalls mit der Ringnut
143 bzw.
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143 A im Steuerkolben 110 bzw. 110 A zusammenwirkt.
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Außerdem ist eine Mittenzentrierung 152 bzw. 152 A vorgesehen, die
zur exakten Einstellung der Steuerkolben in bezug auf die steuerbaren Ringnuten
dient und die den Drehstab 106 bei der Rückführung der Steuerkolben in die gezeichnete
Neutrallage unterstützt.
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Der Stufenkolben 161 bzw. 161 A zum Begrenzen der Rückwirkungskraft
entspricht hierbei im Aufbau und in der Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig.
2 und 3.