DE3024171C2

DE3024171C2 - Hydrostatische Stelleinrichtung, insbesondere Lenkeinrichtung für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE3024171C2
Application number: DE3024171A
Authority: DE
Inventors: Svend Erik Nordborg Thomsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DK149536B; FR2485651B1; CA1155771A; JPS5747001A; IT8167890A0; DE3024171A1; DK149536C; FR2485651A1; IT1145167B; DK273181A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Stelleinrichtung, insbesondere Lenkeinrichtung für Fahrzeuge, bei der ein Stellmotor wegproportional zu einem Betätigungsorgan verstellbar ist, mit einem Arbeitskreis, der den Stellmotor und ein hiermit über Motorleitungen verbundenes, von dem Betätigungsorgan mechanisch verstellbares Steuerventil aufweist, und mit einem hydrostatischen Rückführkreis, dessen die Lage des Stellmotors nachbildender Druck durch ein Überdruckventil bestimmt ist, auf dessen Feder der Stellmotor in jeder Lage wirkt, und das Steuerventil im Gegensinn zum Betätigungsorgan beeinflußt.

Bei einer bekannten hydrostatischen Stelleinrichtung dieser Art (FR-PS 11 62 246) wird der Schieber des Steuerventils hydraulisch durch ein Hilfsventil gesteuert, das einen Schieber in der Bohrung des Steuerventil-Schiebers aufweist. Dieser Hilfsventilschiebcr wird mit Hilfe eines angelenkten Hebels betätigt. An diesen greift einerseits eine Kolbenstange eines von einem Regler hydraulisch verstellbaren Betätigungsorgans und andererseits eine Kolbenstange einer hydraulisch verstellbaren Rückführeinrichtung an. Letztere wird von einem Rückführventil gesteuert, das einerseits vom durch das Überdruckventil bestimmten Druck und andererseits von der Kraft einer Feder beeinflußt ist, deren Abstützung mit Hilfe der Kolbenstange der Rückrühreinrichtung verlagerbar ist. Bei dieser Anordnung läßt sich wegen des hydrostatischen Rückführkreises eine nahezu driftfreie Rückführung erzielen. Zwischen einer Verstellung des Betätigungsorgan und der entsprechenden Verstellung des Steuerventils sind jedoch gewisse Verzögerungszeiten in Kauf zu nehmen. Diese können insbesondere bei einer Lenkeinrichtung nicht akzeptiert werden.

F.s isl ferner eine hydrostatische Stelleinrichtung bekannt (DH-OS 28 44 055). bei der es erstrebt ist, durch zeitabhängige Betätigung eines Vorslcuerventils das Steuerventil in die eine oder andere Endlage zu bringen und auf diese Weise den Stellmotor kontinuierlich im Sehncllgang zu verstellen, bis eine Kulisse an einer Rolle eines Druckrcgclvcntils angreift und durch Verände- Ao rung der Federspannung den dem Vorsteuerventil zugeführten Oruck vermindert, was zu einer Rückstellung des Steuerventils und damit zu einer Verlangsamung der Bewegung des Stellmotors führt. Eine Zuordnung einer bestimmten Lage eines Betätigungsorgans zu ei- v> ncr bestimmten Lage des Stellmotors ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Stelleinrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der das Steuerventil und damit V) auch der Stellmotor einer Verstellung des Betätigungsorgans rascher folgt.

Diese Aufgabe wird crfindiingsgcmäß dadurch gelöst, daß das Betätigungsorgan über eine Feder mechanisch auf das Steuerventil und ihr entgegengesetzt der Druck des Rückführkreises auf eine Druckfläche des Steuerventils wirkt.

Bei dieser Konstruktion nimmt das Steuerventil eine Gleichgewichtslage ein. die einerseits vom hydrostatischen Rückführdruck und andererseits von der Feder bo abhängt, deren Kraft durch die Lage des Betätigungsorgans bestimmt ist. Wird durch Verlagerung des Betätigungsorgans die Federkraft geändert, nimmt das Steuerventil unverzüglich eine neue Gleichgewichtslage ein. Wenn nach der darauf folgenden Verlagerung des Stellte motors sich der Rüekführdruck ändert, kehrt das Steuerventil in seine ursprüngliche Gleichgewichtslage, aber aiii einem anderen Druck- n/.w. Kraftniveau /.urück. Dadurch, daß das Steuerventil auch die Funktion eines

Krafivergleichers übernimmt, kann auf ein spezielles Rückführventil, eine durch das Gestänge gebildete Summiervorrichtung und ein Hilfsventil zur Betätigung des Steuerventils verzichtet werden. Dies ergibt nicht nur einen einfacheren Aufbau, sondern auch ein rascheres Ansprechen.

Eine besonders leistungsarme Auslegung e^rgibt sich, wenn der Rückführkreis und das Überdruckventil zwischen die Ablaufseite des Steuerventils und den Tank geschaltet ist. Denn hierbei wird die Druckflüssigkeit doppelt genutzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß das Steuerventil zwischen Zu- und Ablauf zwei Reihenschaltungen von je zwei Drosseln aufweist, an deren Verbindungspunkten die Arbeitsleitungcn abzweigen, wobei die Drosseln innerhalb jeder Reihenschaltung und die gleichartigen Drosseln jeder Reihenschaltung jeweils gegensinnig verstellbar sind Auf diese Weise ist die Stellung des Stellmotors durch ein Druckgleichgewicht gegeben. |ede Verstellung des Steuerventils führt unmittelbar, also ohne Totgang zu einer Verstellung des Stellmotors. Darüber hinaus steht am Ausgang des Steuerventils immer Druckflüssigkeit auf einem ausreichenden Druckniveau zur Verfügung, um den Rückführkreis zu speisen.

Eine besonders einfache Ausführungsform erhält man, wenn das Steuerventil einen Kolben aufweist, der an der einen Stirnfläche von der zugehörigen Feder belastet ist und dessen andere Stirnfläche die dem Druck im Rückführkreis ausgesetzte Druckfläche bildet.

Günstig ist es ferner, daß die Feder auf der dem Stellmotor bzw. dem Betätigungsorgan zugewandten Seite auf einem Stützkolben steht, der einen mit dem Rückführkreis verbundenen Kompensations-Druckraum begrenzt. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Rückführdruck irgendeinen Einfluß auf die Lage des Stellmotors oder die Lage des Betätigungsorgans hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Betätigungsorgan mit einer Handpumpe verbunden sein, deren beide Anschlüsse über je ein zu einer Druckmittelquelle hin öffnendes Rückschlagventil mit deren Druckseite und mit der Zuflußseite des Steuerventils verbunden sind. Diese Handpumpe führt dazu, daß das Betätigungsorgan im Normalbctrieb fast kraftfrei verstellt werden kann, weil von der Druekmittelquclle geförderte Druckflüssigkeit über die Handpumpe strömt. Es ergibt sich jedoch eine automatische Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit, wenn die Druckmiuelquclle nicht mehr genügend Druckflüssigkeit liefern kann; in diesem Fall sind am Betätigungsorgan entsprechende Kräfte aufzubringen. Im Notbetrieb läßt sich darüber hinaus die Handpumpe als Notpumpe betreiben.

Eine besonders günstige Auslegung besteht darin, daß die Handpumpe pro Wegeinheit mindestens eine so große Druckflüssigkeitsmenge verdrängt wie der Stellmotor pro Wegeinheit. Auf diese Weise läßt sich der Notbetrieb durchführen, wobei sogar noch der Rückführkreis wirksam bleibt.

Außerdem ist es empfehlenswert, wenn die Druckseite der Druckmittelquellc über cir Nachsaug-Rückschlagventil mit dein Tank verbunden ist. Auf diese Weise wird beim Ausfa'l der Druckmittelquellc diese durch das Nachsaug-RücK'ichlagveiiiil überbrückt.

Die Erfindung w 'rd nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausfiihningsbeispiels näher erlaubet. Di¹: r iyur zeigt schemaiisch ein Schaltbild einer eri 'hdunj'-'.gemäßen Stelleinrichtung.

Ein Arbeitskreis 0 wciM eine Druckmitielquelle I in der Form einer Pumpe, ein Steuerventil 2 und einen Stellmotor 3 auf. Die Pumpe saugt Druckflüssigkeit aus einem Tank 4 und fördert sie von ihrer Druckseite 5 über zwei Paare von je zwei Rückschlagventilen 6, 7 und 8, 9 zur Zulaufseite iO des Steuerventils 2. Der Stellmotor weist einen in einem Zylinder 11 verschiebbaren Koiben 12 auf, dessen Kolbenstange 13 auf die zu verstellende Einrichtung, z. B. zu lenkende Räder, wirkt. Der Kolben trennt zwei Arbeitsräume 14 und 15 voneinander, die über Motorleitungen 16 und 17 mit Motoranschlüssen 18 bzw. 19 des Steuerventils 2 verbunden sind.

Die Ausgangsseite 20 des Steuerventils 2 ist nicht direkt mit dem Tank 4 verbunden sondern über einen η Rückführkreis 21, ein Überdruckventil 22 und eine Tankleitung 23. Der Rückführkreis 21 weist eine Druckmittelleitung 24 auf, welche einen Druckraum 25 und einen Druckraum 26 miteinander verbindet. Das Überdruckventil 22 weist einen Schieber 27 auf, der auf der einen Seite durch eine Feder 28 belastet ist, welche sich an einem mit der Kolbenstange 13 verbundenen Stützkolben 29 abstützt. Die linke Stirnseite 30 bildet zusammen mit einem gehäusefesten Ventilsitz 31 die Drosselsteile des Überdruckventils 22. Der Schieber 27 nimmt 2^r> eine Gleichgcwichtsstellung ein, die einerseits von der Lage des Stellmotors 3 und der davon abhängigen Zusammendrückung der Feder 28 und andererseits von der Kraft P1 abhängig ist, welche gleich der Größe der Stirnfläche 30 mal dem Druck ρ im Rückführkreis 21 ist. jo Da dieser Druck ρ durch das Überdruckventil 22 eingestellt wird, ist dieser Druck ein genaues Maß für die Lage des Stellmotors 3.

Das Steuerventil 2 besitzt einen Kolben 32, der auf

der einen Seite durch eine Feder 33 belastet ist, die sich

j5 an einem Stützkolben 34 abstützt, welcher mit Hilfe eines Beiätigungsorgans 35 axial verstellt werden kann.

Auf der anderen Seite des Kolbens 32 wirkt eine Kraft P2, welche gleich der Größe der Stirnfläche 36 mal dem Druck ρ ist. I nfolgedessen wird die Lage des Stellmotors 3 als Druck ρ auf das Steuerventil 2 zurückgeführt.

Hinter dem Slützkolben 29 befindet sich ein Kompensationsraum 37, hinter dem Stützkolben 34 ein Kompensationsraum 38. Beide sind über eine Kompensationsleitung 39 mil dem Rückstelikreis verbunden, um Rückwirkungen des Rückstclldrucks ρ auf die Lage des Stellmotors oder des Iktätigungsorgans auszuschließen.

Die Motoranschlüsse 18 und 19 des Steuerventils 2

gehen von Ringnuten 39 und 40 aus. Der Kolben besitzt zwei Bunde 41 und 42, welche zwei zulaufseitige Ringnuten 43 und 44 von einer ablaufseitigen Ringnut 45 am Kolben trennen. Infolgedessen ergeben sich jeweils zwei in Reihe geschaltete Drosseln A und ßbzw. C und D, von denen sich bei einer Verstellung des Kolbens die Drosseln A und D gemeinsam in einem Sinn und die Drosseln Sund Cgemeinsam im anderen Sinn ändern.

Das Betätigungsorgan 35 ist mit einer Handpumpe 46 verbunden, die einen Zylinder 47, einen Kolben 48 und eine Kolbenstange 49 aufweist. Der eine Druckraum 50 ist mit einem Punkt 51 zwischen den Rückschlagventilen w) 6 und 7, der andere Druckraum 52 mit einem Punkt 53 zwischen den Rückschlagventilen 8 und 9 verbunden. Außerdem ist die Druckseite 5 der Druckmittelquelle 1 über ein Rückschlagventil 54 mil dem Tank 4 verbunden.

tr> Mit dieser Anordnung ergibt sich die folgende Betriebsweise.

Wenn im Not malbetrieb der Stellmotor 3 um den Weg \ I Verlagen wird, ergibt sich eine entsprechende

Zusammendrückung der Feder 28. Dies führt zu einer Gleichgewichtsstellung des Schiebers 27, bei der

Pl=CIxI

wobei C1 die Federkonstante der Feder 28 ist. Da sich das Überdruckventil 22 in diese Gleichgewichtslage einstellt, herrscht im Rückführkrcis 21 ein der Kraft P\ proportionaler Rückführdruck p. Wenn man die Verstellung des Betätigungsorgans mit χ 2 bezeichnet, ergibt sich auch eine Gleichgewichtslage des Kolbens 32 des Steuerventils 2 nach der Regel

P2 = C2■a 2

wobei C2die Federkonstantcdcr Feder 30 ist.

Wird die Kolbenstange 49 durch das Betätigungsorgan 35 um ein Stück nach links verschoben, sieigt der Druck am Motoranschluß 19, während der Druck am Motoranschluß 18 abfällt. Infolgedessen verschiebt sich der Kolben des Stellmotors 3 nach links. Dies führt zu einer Zusammendrückung der Feder 28 und zu einer Erhöhung des Rückführdrucks p. Hierdurch wird der Kolben 32 des Steuerventils 2 gegen die Kraft der Feder 33 wieder in die Mittellage zurückgeführt. Entsprechendes gilt für eine Verstellung des Betätigungsorgans 35 nach rechts. Die Wegänderungen richten sich nach dem Übersetzungsverhältnis der Anlage. In dieses Übersetzungsverhältnis gehen die Federkonstanten der Federn 28 und 33 sowie die Größen der Stirnflächen 30 und 36 ein. Irgendwelche Leckverluste im Rückführkrcis 21 sind hierbei ohne Bedeutung.

Wenn jetzt angenommen wird, daß von außen auf den Stellmotor 3 eine Störkraft S wirkt, so wird die Kolbenstange 13 etwas nach links verschoben. Infolgedessen steigt der Rückführdruck ρ und verschiebt den Kolben 32 etwas nach rechts. Dies hat zur Folge, daß der Druck im Arbeitsraum 14 ansteigt, bis die Störkraft S ausgeglichen ist. Wenn hierbei ein Lecken längs des Kolbens 12 erfolgt, ist dies ohne Bedeutung, weil die Druckmittelquelle 1 entsprechende Flüssigkeit nachliefert und der Rückführdruck ρ hierdurch nicht beeinträchtigt wird. Wenn das Betätigungsorgan 35 verstellt wird und gleichzeitig eine Störkraft S wirkt, so überlagern sich die beiden zuvor beschriebenen Funktionen in sinnrichtiger Weise.

Bei einer Verstellung des Stellmotors 3 teilt sich die geförderte Druckmittelmenge auf in einen Teil, der direkt über die Drosseln zur Abflußseite 20 führt und einen anderen Teil, der über den Stellmotor zur Abflußseite führt. Auf jeden Fall steht im Rückführkrcis 21 genügend Druckmittel zur Erzeugung des Rückführdrucks ρ zur Verfügung.

Die Bewegung des Betätigungsorgans 35 ist durch die Handpumpe 46 unterstützt. Wenn nämlich der Kolben 48 verschoben wird, liefert die Druckmittelquelle 1 auf der Saugseite Flüssigkeit nach, während die druckseitige Druckflüssigkeit der Handpumpe 46 zur Druckseite 10 des Steuerventils 2 gelangt. Erst wenn das Betätigungsorgan 35 mit so hoher Geschwindigkeit bewegt wird, daß die von der Druckmittelquelle 1 zur Verfügung gestellte Druckflüssigkeitsmcnge nicht mehr ausreicht, wird die Handpumpe 46 belastet und am Betätigungsorgan 35 ist ein erhöhter Widerstand zu spüren. Hierdurch bekommt beispielsweise der Lenker eines Fahrzeugs eine wichtige Information darüber, daß das System zu schnell verstellt wird. Wenn nämlich die Handpumpe beispielsweise bei einer Verstellung nach rechts eine größere Druckflüssigkeitsmenge verdrängt als die Druckmittelquelle 1 liefern kann, sinkt der Druck am Punkt 5 und im Arbeitsraum 50, während der Druck im Arbeitsraum 52 auf einem durch die äußere BeIa-

<i siting des Systems vorgegebenen Druck gehalten wird. Deshalb sind die Rückschlagventile 7 und 8 in dieser Situation geschlossen. Sinkt hierbei der Druck am Punkt 5 unter den Tankdruck, so wird Druckflüssigkeil über das Rückschlagventil 54 nachgesaugt.

κι Ein Sonderfall des zuletzt betrachteten Betriebs ist die Notsieucrung, wenn nämlich die Druckinittelquelle 1 überhaupt keine Druckflüssigkeit mehr liefert. Die Handpumpe 46 schafft nun die gesamte Leistung. Es wird Druckflüssigkeit über das Rückschlagventil 54 an-

i^r) gesaugt und über das Rückschlagventil 7 bzsv. 9 abgegeben. Damit der Rückführkreis in dieser Situation korrekt funktioniert, sollte die Handpumpe eine solche Flüssigkeitsmcngc verdrängen, die wenigstens so groß ist wie die Flüssigkeitsmenge, welche den Kolben 12 des Stellmotors 3 verdrängen soll. Auf diese Weise läßt sich auch im Notbetrieb zumindest annähernd die Rückführ-Slcticrung aufrecht erhalten.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Stelleinrichtung in Verbindung mil Translationsbewegungen

2^r> beschrieben. Es können aber auch Konstruktionen benutzt werden, bei denen Rotationsbewegungen oder Kombinationen von Rotation und Translation auftreten. Beispielsweise kann der Stellmotor auf die Spurstange einer Lenkvorrichtung wirken und das Überdruckventil

jo 22 ist auf dem zugehörigen Drehzapfen angebracht, so daß die Verstellung als Drehung abgeführt wird.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Rückführkrcis 21 parallel zum Arbeitskreis 1 anzuordnen, also schon an der Druckseite 10 des Steuerventils 2 abzweigen zu

Γ) lassen. Außerdem kann auch der Rückführkreis 21 mit einer eigenen Pumpe versorgt werden.

Die beschriebene Stellvorrichtung ist nicht nur für die Lenkung von Fahrzeugen bestimmt. Man kann auch cine drift freie Rückstellung in anderen vollhydraulisehen Systemen erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydrostatische Stelleinrichtung, insbesondere Lenkeinrichtung für Fahrzeuge, bei der ein Stellmotor wegproportional zu einem Betätigungsorgan verstellbar ist, mit einem Arbeitskreis, der den Stellmotor und ein hiermit über Motorleitungen verbundenes, von dem Betätigungsorgan mechanisch verstellbares Steuerventil aufweist, und mit einem hydrostatischen Rückführkreis, dessen die Lage des Stellmotors nachbildender Druck durch ein Überdruckventil bestimmt ist, auf dessen Feder der Stellmotor in jeder Lage wirkt, und das Steuerventil im Gegensinn zum Betätigungsorgan beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (35) über eine Feder (33) mechanisch auf das Steuerventil (2) und ihr entgegengesetzt der Druck (p)aes Rückführkreises auf eine Druckfläche (36) des Steuerventils wirkt.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkreis (21) und das Überdruckventil (22) zwischen die Ablaufseite (20) des Steuerventils (2) und den Tank (4) geschaltet ist.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) zwischen Zu- und Ablauf zwei Reihenschaltungen von je zwei Drosseln (A, B; C, D) aufweist, an deren Verbindungspunkten die Arbeitslcitungcn (16, 17) abzweigen, wobei die Drosseln innerhalb jeder Reihenschaltung und die gleichartigen Drosseln jeder Reihenschaltung jeweils gegensinnig verstellbar sind.

4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) einen Kolben (32) aufweist, der an der einen Stirnfläche von der zugehörigen Feder (33) belastet ist und dessen andere Stirnfläche (36) die dem Druck (p) im Rückführkreis (21) ausgesetzte Druckfläche bildet.

5. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (28,33) auf der dem Stellmotor (3) bzw. dein Betätigungsorgan (35) zugewandten Seite auf einem Stützkolben (29, 34) ruht, der einen mit dem Rückführkreis (21) verbundenen Kompensations-Druckraum (37, 38) begrenzt.

6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (35) mit einer Handpumpe (46) verbunden ist, deren beide Anschlüsse über je ein zu einer Druckmittelquelle (1) hin öffnendes Rückschlagventil (6—9) mit deren Druckseite und mit der Zuflußscitc des Steuerventils (2) verbunden sind.

7. Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Handpumpe (46) pro Wegeinheit mindestens eine so große Druckflüssigkeitsmenge verdrängt wie der Stellmotor (3) pro Wegeinheit.

8. Stelleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite (5) der Druckmittelquelle (1) über ein Nachsaug-Rüekschlagventil (54) mit dem Tank (4) verbunden isl.