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Gcgenstand: Linricatung zum Begrenzen der Reaktionskraft bei nenkventilen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Begrenzen der Reaktionskraft
bei Lenkventilen mitfzwei Steuerkolben f5r nydraulische Servolenkungen von Fahrzeugen
durch Begrenzung von auf Reaktionsflächen der Steuerkolben entgegen der Betätigungsricntung
innerhalb von an die Reaktionsflächen angrenzenden Reaktionsräumen wirkenden Reaktionsdrücken
mittels insbesondere innernalb der Steuerkolben angeordneter, federbelasteter Druckbegrenzungsventile,
welche oberhalb eines Grenzdruckes eine Verbindung vom jeweiligen Reaktionsraum
zum Ablauf nerstellen, wobei die Betätigung der Steuerkolben manuell auf Grund von
Relativbewegungen zwischen einem mit einem Lenkrad oder dergleicnen verbundenen
Krafteingangsglied und einem mit den gelenkten Rädern und dem arbeitsaktiven Teil
eines nydrauliscnen Servomotors, z. B. dessen Kolbenstange, in Verbindung stehenden
Kraftausgangsgliedes erfolgt und wobei die Betätigung der Steuerkolben vorzugsweise
über den Reaktionsdrücken entgegenwirkende Federn erfolgt und woDei ferner jedem
Arbeitsraum ein Steuerkolben zugeordnet ist zum Herstellen einer Verbindung zwiscnen
dem Arbeitsraum und einer Druckquelle oder dem Arbeitsraum und einem Ablauf oder
zum Sperren dieser Verbindungen und wobei jeder Arbeitsraum zumindest zeitweilig
mit dem zugehörigen Reaktionsraum über eine Drosselstelle verbunden ist.
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insbesondere
Bekanntlich besteht eine deutliclle Tendenz,
das bei Servolenkungen verwendete Druckniveau anzugeben. Derartige Bestrebungen
sind insbesondere bei ''closed-ceIlter-Bauarten'' zu erkennen. Iii Bezug auf die
Dampfung der Steuerkolben und der Bolzen der Drucbercnzungsventiie war man dabei
zu Kompromissen gezwungen. Dem Wunsch nach einem engen Drosselquerschnitt in der
Drosselstelle zum Erzielen einer guten Dämpfung stand die Gefanr des Zusetzens dieser
Drosselstelle durch Scnmutzpartikel und durch molekulare Anlagerungen gegenaber,
wobei zu bemerken ist, daß selbst ein partielles Zusetzen bereits zu Änderungen
der Dämpfungscharakteristik funren konnte.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu verhindern und Einricatungen
zum Begrenzen der Reaktionskraft der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß
einerseits der Zufluß von Druckmittel in den Reaktionsraum beim Einschalten der
Druckquelle auch bei verschmutztem Druckmittel oder sonstigen ungünstigen Betriebsbedingungen
sicner gewährleistet ist und andererseits beim eigentlichen Fahrbetrieb insbesondere
beim Ansprechen der Reaktionskraftbegrenzung eine ausreichende Dämpfung sowohl des
Steuerkolbens als auch des Kolbens des Druckbegrenzungsventils vornanden ist, wobei
die dazu notwendige Drosselstelle weitgehend gegen Zusetzen durch Schmutz odr dergleicnen
geschützt sein soll.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß in
einer sich bei fehlender Druckbeaufschlagung und fehlender äußeren Kraft einstellenden
Schaltstellung der Kolben des Druckbegrenzungsventils sich so einstellt, daß ein
im Reaktionsraum mündender Strömungskanal mit einem permanent mit dem Arbeitsraum
veroundenen Strömungskanal einen relativ großen gemeinsamen Durclflußquerscnitt
bildet, der sicn bei Druckanstieg im Reaktionsraum
durch eine dann
erfolgende Bewegung des Kolbens verkleinert und oberhalb eines ersten Grenzdruckes
verschwindet, wobei nach Erreichen eines zweiten höheren Grenzdruckes ein Strömungskanal
im Kolben mit dem Ablauf in Verbindung tritt und wobei zumindest oberhalb des ersten
Grenzdruckes ein zweiter Strömungsweg zwischen dem mit dem Arbeitsraum verbundenen
Strömungskanal und dem Reaktionsraum in Form eines eine Drosselstelle bildenden
engen Ringspaltes zwiscnen dem Kolben und der inn umgebenden Kolbenbonrung besteht.
Der Vorteil des Erfindungsgedankens liegt darin, daß man unterhalb eines bestimmten
Druckes auf eine Dämpfung verzicntet und die Dämpfung sich erst einstellt, wenn
der Kolben sich bewegt hat und damit eine reinigende Wirkung auf die Drosselstelle
ausgeübt hat. Da während der Fahrt fortwährend kleine Druckänderungen im Reaktionsraum
auftreten, bewegt sich der Kolben ebenfalls geringfügig, so daß man von einer Selbstreinigung
sprechen kann. 3ei über Federn angesteuerten Steuerkolben sollte der erste Grenzdruck
geringfügig niedriger sein als der Druck im Reaktionsraum, der sich bei Druckbeaufschlagung
aber fehlender äußerer Kraft ergibt. Eine konstruktiv und fertigungstecnnische einfaclle
Form des Kolbens sowie eine kurze Baulänge des Steuerkolbens ergeben sich, wenn
der im Innern des Steuerkolbens axial angeordnete Kolben bei einer Auswärtsbewegung
an einem gehäusefesten Widerlager, insbesondere einem Stopfen anstößt, der die Bohrung
fur den Steuerkolben verschließt. Weitere Merkmale und Vorteile sind aus der Beschreibung
und den Unteransprüchen ersichtlicn.
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Anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert.
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Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Lenkventil längs seiner Achse
sowie die wichtigsten Bestandteile des zugenbrigen hydraulischen Kreislaufes in
symbolischer Darstellung.
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Figur 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt gemäß der Schnittlinie C-D
von Figur 1 in einer sich bei fehlenden äußeren Kräften und onne Druckbeaufschlagung
einstellenden Scnaltstellung.
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Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die Stellung eines Kolbens
eines Druckbegrenzungsventils bei drucxbeaufschlagtem Lenkventil ohne äußere Kräfte.
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Figur 4 zeigt in vergrößerter Darstellung die Stellung des Kolbens,
nacndem die Reaktionskraftbegrenzung voll eingesetzt nat.
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Ein Lenkrad 1 ist mit einem Krafteingangsglied 2 wirkungsmäßig verbunden,
wie durch die strichpunktierte Linie 3 angedeutet ist. Das Krafteingangsglied 2
ist mittels zweier Lager 4 und 5 in einem Kraftausgangsglied 6 gelagert, das mit
einem Servomotor 7 und außerdem mit gelenkten Rädern 8 in Wirkverbindung stent,
wie durcn stricnpunktierte Linien 9 und 10 angedeutet ist. Das Kraftausgangsglied
6 ist seinerseits mittels Lager 11 und 11' gelagert sowie mit einer schwimmenden
Büchse 12 im Gehäuse 13 gepaart. Das Genäuse 13 ist mit Anschlüssen P, A, B und
T versenen. Eine Pumpe 14 fördert über ein Rückschlagventil 15 sowie eine Leitung
16 Druckmittel zum Anschluß P, wobei an die Leitung 16 ein Druckspeicher 17 angeschlossen
ist. Bei gefülltem Druckspeicher 17 fördert die Pumpe 14 über ein stromauf vom Rücicschlagventil
15 angeschlossenes und vom Druck in der Leitung 16 gesteuertes Abschaltventil 18
drucklos in einen Vorratsbeaälter 19 zurück. Die Pumpe 14 ist weiterhin durch ein
Druckbegrenzungsventil 20 abgesichert. An den Anscnluß T ist ein Ablauf 21 angeschlossen.
Von den Anschlüssen A und B führen
Leitungen 22 und 23 zu Arbeitsräumen
24 und 25 mit jeweils gleichgroßen Wirkflächen innerhalb des Servomotors 7. Die
Arbeitsräume 24 und 25 werden durch einen Arbeitskolben 26, der mit beidseitigen
Kolbenstangen 27 und 28 versehen ist, unterteilt. Die Anschlüsse P, A und B münden
in Ringnuten 29, 30 und 31 innehalb der Bcse 12, die jeweils durch Querbohrungen
mit entsprecnenden Ringnuten 29', 30' und 31' im Innern der Büchse 12 verbunden
sind. In die letzteren Ringnuten münden nicht näher dargestellte Quer- bzw. Längskanäle
innerhalb des Kraftausgangsgliedes 6, welche zu noch zu beschreibenden Ventilgliedern
führen. Der Anschluß T mündet in einen Ringraum 32 zwischen einer Dichtung 33 und
dem stirnseitigen Ende der Bücnse 12. In den Ringraum 9' mündet ein Kanal 34, der
ebenfalls innerhalb des Kraftausgangsgliedes 6 verläuft. Gemäß Figur 2 sind im Kraftausgangsglied
6 quer- und außermittig zu dessen Achse Bohrungen 35 und 36 angebracht, in denen
Steuerkolben 37 und 38 gleitbar angeordnet sind. Die Bohrungen 35 und 36 sind stirnseitig
durch Dichtstopfen 39 und 40 veracnlossen. Die Räume zwischen den Dichtstopfen 39
und 40 und den Steuerkolben 37 und 38 werden als Reaktionsräume 41 und 42 bezeicmuet.
Auf ihren den Reaktionsräumen 41 und 42 abgewandten Seiten werden die Steuerkolben
37 und 38 von Schraubenfedern 43 und 44 belastet, die sich an Federwiderlagern 45
und 46 abstützen. Die Bohrungen 35 und 36 erweitern sich ein gewisses Maß vor ihrem
Ende zu Bohrungen 47 und 48, in denen Scnraubenfedern 49 und 50 angeordnet sind,
die sich ebenfalls an den Federwiderlagern 45 und 46 abstützen und mit irm anderen
Ende an Absätzen 51 und 52 zwischen den Bohrungen 35 und 47 bzw. 36 und 48 anliegen.
Die Federwiderlager 45 und 46 können sich an Anschlägen 53 und 54 innerhalb des
Kraftausgangsgliedes 6 abstützen. Die Federwiderlager 45 und 46 besitzen Durcngangsbohrungen
55 und 56, welche etwa dem Innendurchmesser
der Schraubenfedern
43 und 44 entsprechen. Stößel 57 und 58 durchdringen die Durchgangsbohrungen 55
und 56 bzw.
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die Scnraubenfedern 43 und 44 und wirken auf Stellschrauben 59 und
60. Diese Stellschrauben 59 und 60 sind innerhalb von Zentrierschrauben 61 und 62
angeordnet, die ihrerseits in dem in diesen Bereich zu einem Hebel 2' ausgebildeten
Krafteingangsglied 2 verstellbar angeordnet sind. D-e Zentrierschrauben 61 und 62
wirken auf die Federwiderlager 45 und 46 ein.
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Der Steuerkolben 37 hat etwa in der Mitte seiner axialen Ausdehnung
eine äußere Ringnut 63, in deren Bereich ein Kanal mündet, der innerhalb des Kraftausgangsgliedes
6 verläuft, auf nicht näher dargestellte Weise mit der Ringnut 30' verbunden ist
und zur Verdeutlichung mit A bezeichnet wird, wodurch kenntlicn gemacht werden soll,
daß er mit dem Anschluß A kommuniziert. Die Ringnut 63 wird von zwei Schultern 64
und 65 begrenzt. An die Schulter 64 schließt sich eine zur Entlastung dienende Ringnut
66 an, welche durch eine Schulter 67 vom Reaktionsraum 41 getrennt ist. Die der
Ringnut 63 zugewandte Kante der Schulter 64 ist eine Steuerkante 68, welche je nach
Stellung des Steuerkolbens 37 eine Verbindung zwischen der Ringnut 63 und einem
den Kanal 34 anschneidenden Kanal 69 steuert. Der Kanal 69 kommuniziert mit dem
Anschluß P und ist daher zum besseren Verständnis ebenfalls mit P bezeichnet. Die
Schulter 65 weist Durchbrüche 70 auf, welche die Ringnut 63 mit einer sich an die
Schulter 65 anschließenden Ringnut 71 verbinden, deren dem Absatz 51 zugewandte
Kante eine Steuerkante 72 ist. In analoger Weise besitzt der Steuerkolben 38 etwa
in der Mitte seiner axialen Ausdehnung eine Ringnut 73, in deren Bereich ein Kanal
mündet, der innerhalb des Kraftausgangsgliedes 6 mit der Ringnut 31' verbunden ist,
somit mit dem Anschluß B kommuniziert und aus diesem Grunde ebenfalls
mit
B gekennzeichnet ist. Die Ringnut 73 wird von Schultern 74 und 75 begrenzt. An die
Schulter 74 schließt sich eine zur Entlastung dienende Ringnut 76 an, die durch
eine Schulter 77 vom Reaktionsraum 42 getrennt ist. Die der Ringnut 73 zugewandte
Kante der Schulter 74 ist eine Steuerkante 78. In der Schulter 75 sind Durchbrüche
79 angeordnet, welche die Ringnut 73 mit einer sich an die Schulter 75 anschließenden
Ringnut 80 verbunden. Die dem Absatz 52 zugewandte Kante der Ringnut 80 ist eine
Steuerkante 81. Im Innern des Steuerkolbens 37 ist eine Bohrung 82 angebracht, die
sich in einem gewissen Abstand von den Stirnseiten des Steuerkolbens 37 zu Bohrungen
83 und 84 erweitert. In der Bohrung 82 gleitet ein Kolben 85, der von einer in der
Bohrung 83 geführten Feder 86 in Richtung auf den Reaktionsraum 41 belastet wird.
Im Innern des Kolbens 85 verläuft vom Reaktionsraum 41 ausgehend ein Stromungskanal
87, der in Form einer Ringnut an der äußeren Mantelfläche des Kolbens 85 mündet
und dort Steuerkanten 88 und 89 besitzt. Der Strömungskanal 87 ist zumindest zeitweilig
in Verbindung mit einem Strömungskanal 90 zwischen der Ringnut 63 und der Bohrung
82. Die Bohrung 84 ist durch einen Stopfen 91 verschlossen, der einen Durchbruch
92 aufweist, welcher die Bohrung 84 mit der Bohrung 47 verbindet. Der Absatz zwischen
den Bohrungen 82 und 84 besitzt eine Steuerkante 93. Im Bereich zwischen der Mündung
des Strömungskanals 90 in die Bohrung 82 und der Bohrung 83 besteht zwiscnen dem
äußeren Umfang des Kolbens 85 und der Bohrung 82 ein als Drosselstelle dienender
enger Ringspalt, dessen Größe sich der zeichnerischen Darstellung entzieht. Dennoch
sei dieser Ringspalt mit der Bezugszahl 94 belegt. Der Stopfen 91 besitzt eine Ansenkung
95, deren Boden 96 zumindest zeitweilig mit dem Stößel 57 in Kontakt kommen kann.
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Der Steuerkolben 38 ist im übrigen mit dem Steuerkolben 37 identisch,
so daß sich eine Beschreibung der in seinem Innern befindlichen Teile erübrigt.
Die Bohrung 47 ist mit dem das
Kraftausgangsglied 6 teilweise außen
umgebenden Raum 97 verbunden. Der Raum 97 ist nach außen hin durch einen topfförmigen
Deckel 98 verschlossen, der abgedichtet am Gehäuse 13 befestigt ist und in seinem
Boden 99 eine abgedichtete Durchdringung 100 für den Durchtritt des Krafteingangsgliedes
2 aufweist. Der Raum 97 ist durch einen innerhalb des Kraftausgangs gliedes 6 verlaufenden
Kanal 101 mit der Ringnut 32 und damit mit dem Anschluß T verbunden.-Zum besseren
Verständnis werden daher die auf diesem Wege mit dem Anschluß T kommunizierenden
Bohrungen 47 und 48 ebenfalls zusätzlich mit T gekennzeichnet.
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Abgesehen von der Funktion der Einrichtung zum Begrenzen der Reaktionskraft
ist die Funktion des dargestellten Lenkventils bereits weitgehend in der deutschen
Patentanmeldung P 24 36 315 beschrieben, so daß hier nur in Kürze darauf eingegangen
zu werden braucht. Ausgehend von der Figur 2 sei zunächst angenommen, daß keine
äußeren Kräfte auf das Lenkventil wirken und weder die Pumpe 14 noch der Druckspeicher
17 einen Druck am Anschluß P erzeugen. Die Feder 43 hat dann das Bestreben, sich
zu entspannen und den Steuerkolben 37 in Richtung auf den Reaktionsraum 41 zu verschieben.
Da der Kolben 85 dabei schließlich am Stopfen 39 anstößt, ergibt sich ein Gleichgewicht
zwischen den Federn 43 und 86. Die diesem Gleichgewicht entsprechende Stellung des
Steuerkolbens 37 sei dann so, daß die Steuerkante 68 eine Verbindung vom Kanal 69
zur Ringnut 63 öffne. Außerdem sollen in dieser Schaltstellung der Strömungskanal
87 und der Strömungskanal 90 einen relativ großen gemeinsamen Durchflußquerschnitt
bilden. Wenn nunmehr die Pumpe 14 eingeschaltet wird, baut sich am Anschluß P und
damit im Kanal 69 und der Ringnut 63 ein Druck auf,der sich über die Strömungskanäle
90
und 87 in den Reaktionsraum 41 fortpflanzt. Der dortige Druckanstieg bewegt den
Kolben 85 relativ zum Steuerkolben 37 und diesen relativ zum Kraftausgangsglied
6 in eine Schaltstellung, welcher jener nach Figur 3 entsprechen möge. In dieser
Schaltstellung schließt die Steuerkante 68 gerade die Verbindung vom Kanal 69 zur
Ringnut 63 und die Steuerkante 88 möge gerade die Verbindung zwischen den Strömungskanälen
90 und 87 unterbrechen. Es ist ersichtlich, daß gemäß Figur 2 zunächst ein nahezu
ungehinderter Durchfluß von Druckmittel von der permanent mit dem Arbeitsraum 24
kommunizierenden Ringnut 84 zu dem Reaktionsraum 41 stattfinden konnte. Der gemeinsame
Strömungsquerschnitt der Kanäle 90 und 87 ist dabei zumindest anfänglich so bemessen,
daß selbst größere Schmutzpartikel ein Zusetzen nicht bewirken können. Zwar verkleinert
sich der Durchflußquerschnitt gegebenenfalls bis auf Null, jedoch hat bis zu diesem
Zeitpunkt in Folge der Relativbewegung zwischen Kolben 85 und Steuerkolben 37 in
der Drosselstelle 94 ein reinigender Effekt stattgefunden, so daß Druckmittel zumindest
über die Drosselstelle 94 Zutritt zum Reaktionsraum 41 hat.
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Mit Hilfe dieser Drosselstelle 94 wird bei Steuerbewegungen des Steuerkolbens
37 bzw. des Kolbens 85 eine Dämpfung erzielt.
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Wenn nun das Lenkrad 1 bzw. das Krafteingangsglied 2 im Uhrzeigersinn
bewegt werden, findet über die vorgespannte Feder 49 bzw. die ebenfalls nun vorgespannte
Feder 43,den Steuerkolben 37 und das Druckmittelpolster im Reaktionsraum 41 unterhalb
einer Grenzbetätigungskraft eine rein mechanische Kraftübertragung vom Lenkrad 1
zu den gelenkten Rädern 8 ohne Servounterstützung statt. Wird die Grenzbetätigungskraft
überschritten, wird das Federwiderlager 45 vom Anschlag 53 abgehoben. Die Feder
43 wird dabei etwas mehr vorgespannt, so daß die Steuerkante 68 wieder eine Verbindung
zwischen dem Kanal 69 und der Ringnut 63 herstellt. Druckmittel gelangt dadurch
vom Anschluß P zum
Anschluß A und von dort in den Arbeitsraum 24
und wirkt dort im Sinne einer Servounterstützung. Gleichzeitig findet im Reaktionsraum
41 ein Druckanstieg statt, welcher der Kraft der Feder 43 das Gleichgewicht zu halten
bestrebt ist. Dieser Druckanstieg führt außerdem zu einer weiteren Bewegung des
Kolbens 85, dessen Steuerkante 89 sich dabei etwas der Steuerkante 93 nähert. Bei
noch nöherem Kraftbedarf wird die Feder 43 schließlich so weit verkürzt, daß der
Stößel 57 in Kontakt mit dem Boden 96 der Ansenkung 95 kommt und damit direkten
mechanischen Kontakt zum Steuerkolben 37 hat. Bei diesem Vorgang hat sich der Kolben
85 weiter verschoben. Der Druckanstieg im Reaktionsraum 41 bzw. die dadurch bedingte
Verschiebung des Kolbens 85 dauern so lange an, bis schließlich die Steuerkante
89 in Verbindung mit der Steuerkante 93 einen Durchflußquerschnitt vom Strömungskanal
87 zur Bohrung 84 und damit zum Ablauf T öffnet (siehe Figur 4). Nach Erreichen
dieses Grenzdruckes bleibt der Druck im Reaktionsraum 41 konstant, während der Druck
in der Ringnut 63 maximal bis zum Höchstdruck der Pumpe 14 ansteigen kann. Durch
die Begrenzung des Druckes im Reaktionsraum 41 wird auch die manuell spürbare Reaktionskraft
begrenzt. Da der Zulauf über die Drosselstelle 94 stark gedrosselt ist, ist die
zum Ablauf T aus dem Reaktionsraum 41 abströmende Druckmittelmenge vergleichsweise
gering. Ein Verstopfen der Drosselstelle 94 ist nicht zu erwarten, da bis zum öffnen
der Steuerkante 89 fortwährend eine Relativbewegung zwischen Kolben 85 und Steuerkolben
37 stattfindet. Gegebenenfalls auftretende kurzzeitige, statische Zustände reichen
wegen der Kürze der Zeit nicht aus, um die Drosselstelle 94 zuzusetzen. Der Ablauf
von Druckmittel aus dem Arbeitsraum 25 bei dem beschriebenen Lenkvorgang erfolgt
über den Anschluß B derart, daß zunächst dort ein leichter Druckanstieg entsteht,
der sich in den Reaktionsraum 41 fortpflanzt und den Steuerkolben 38 in eine Stellung
verschiebt, in welcher die Steuerkante 81 einen Durchflußquerschnitt
von
der Ringnut 80 zur Bohrung 48 öffnet. Da die Ringnut 80 in Folge des Durchbruches
79 aber fortwährend mit der Ringnut 73 bzw. dem Kanal B kommuniziert, wird im Endeffekt
der Arbeitsraum 25 mit dem Ablauf T verbunden, so daß Druckmittel ohne wesentlichen
Druckanstieg im Arbeitsraum 25 abströmen kann. Eine dabei auftretende geringfügig
höhere Vorspannung der Feder 44 macht sich am Hebel 2' nicht bemerkbar, da das Federwiderlager
46 fest am Anschlag 54 anliegt und seinen Kontakt mit der Zentrierschraube 62 verliert.
Eine Bewegung des Lenkrades 1 gegen den Uhrzeigersinn würde die gleichen Vorgänge
jeweils in identischer Weise für den anderen Kolben bewirken, so daß auf eine Beschreibung
verzichtet werden kann.
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Es ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausfahrungsbeispiel
begrenzt ist. Es ist insbesondere möglich, die Kolben der Druckbegrenzungseinricntung
auch im Krafteingangsglied 6 anzuordnen. Weiterhin ist es natürlich möglich, anstelle
der Zentrierfedern Torsionsstäbe oder ähnliche Einrichtungen zu verwenden. Weiterhin
ist es möglich, die Federn für die Kolben auf jener dem Reaktionsraum gegenüberliegenden
Seite anzuordnen. Schließlich wäre es auch naheliegend, bei Anordnung der Kolben
im Kraftausgangsglied eine gemeinsame Feder für beide Kolben zu verwenden.