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Hydrostatische Servolenkung mit Notguelle
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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Servolenkung mit Notquelle
(zur Leneinrichtung), namentlich für Kraftfahrzeuge und mobile Maschinen, Die bekannten
hydrostatischen Zweikreis-Servolenksysteme bestehen aus einem Steuerkreis, der die
Lenkbefehle und Rückführung gewährleistet, und aus einem Arbeitskreis, der die Energie
für den Lenkvorgang liefert. Der Steuerkreis enthält eine mit dem Lenkrad gekoppelte
Leneinheit, die ein Wegeventil aufgrund von Lenkbefehlen verstellt. Das Wegeventil
steuert das von der motorbetriebenen Speisepumpe geförderte Drucköl zum Lenkmotor.
Das Prinzip einer solchen Servolenkung ist in den CS-PS'en Nr. 133 073 und 137 286
beschrieben.
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Der Hauptnachteil dieser Servolenkungen besteht darin, daß bei einem
Notorausfall oder einer Störung des Arbeitskreises der Steuerkreis nur die Muskelenergie
des Fahrers übertragen kann, die zum Uberwinden der Lenkwiderstände und damit zur
Notlenkung
nicht genügt. Andere bekannte Zweikreislenksysteme (nach DE-AS 17 55 297) unterscheiden
sich von den vorgenannten Servolenksystemen dadurch, daß jeder Kreis von einer motor
betriebenen Speisepumpe gespeist wird. Dabei wird das Drucköl zu einem kleineren
Lenkmotor über die Lenkeinheit dosiert, während zu einem größeren Lenkmotor das
Drucköl über das Wegeventil geliefert wird, das von dem über die Lenkeinheit dosierten
Drucköl betätigt wird. Bei diesen Servolenkungen ist schwer eine synchrone Arbeit
beider getrennten Lenkkreise zu erzielen, weil die Öldrücke und öldruckansprechbarkeit
mit veränderlichen Betriebzuständen immer schwanken. Ihr weiterer Nachteil besteht
darin, daß bei einem Motorausfall beide Ölquellen und damit die ganze Servolenkung
außer Betrieb gesetzt werden.
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Es sind auch Einkreis-Servolenksysteme (z.B. nach DE-OS 2 731 975)
mit einem von dem Lenkrad be'-ätigten Wegeventil bekannt. Diese Servolenksysteme
können mit einem Hydraulikmotor, einer von dem Fahrzeugmotor betriebenen Pumpe und
einer weiteren von den Rädern betriebenen Notpumpe ausgestattet sein.
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Sie sind mit einem Anschlußventil versehen, das den von der motorbetriebenen
Speisepumpe gelieferten ölstrom mißt. Bei Ölströmungsabfall unter einen bestimmten
Wert wird die Notpumpe eingeschaltet.
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Diese für leichtere Fahrzeuge geeignete S»rvolenksysteme streben zu
einer genauen Unterscheidung der Störung der von dem Motor betriebenen Speisepumpe.
Ein Nachteil dieser und auch anderer Einkreis-Servolenksysteme besteht darin, daß
bei einer Störung des Lenkmotors oder der zu dem Lenkmotor führenden Leitungen die
ganze Servolenkung außer Betrieb gesetzt wird und die Fahrzeugrichtung nicht einhaltbar
ist.
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Ein gemeinsamer Nachteil der meisten bekannten Servolenksysteme besteht
darin, daß sie nur mit einer Störung der primären Quelle oder einem Motorausfall
einsetzen, so daß sie bei eiiler anderen Art der Störung, z..B. einem Leitungsbruch
oder Schlauchriß außer Betrieb gesetzt werden. Gewöhnlich sind alle Teile der Servolenkung
ungefähr gleich belastet, so daß die Gefahr einer Störung fast bei allen Teilen
dieselbe ist. Ein anderer gemeinsamer Nachteil der bekannten Servolenkungen besteht
darin, daß die Notlenkung sehr langsam reagiert, viel langsamer als die Hauptlenkung,
weil die Notquelle eine ungewünschte Erhöhung des Gewichtes und des Kostaufwandes
darstellt. Deswegen sollte sie so klein wie möglich sein.
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Die angeführten Nachteile werde von dem hydraulischen Servolenksystem
nach Erfindung überwunden, das aus einem Hauptkreis und einem Hilfkreis besteht,
deren Hauptmerkmal darin besteht, daß die über Steuerleitungen mit den Arbeitsräumen
der Lenkmotoren verbundene Lenkeinheit über eine Zweigleitung und dia Druckleitung
des Hauptkreises an die Primärquelle und über eine andere Druckleitung auch an die
Notquel.le angeschlossen ist. Das über Arbeitsleitungen an die Arbeitsräume der
Lenkmotoren angeschlossene Wegeventil ist iibpr die Druckleitung des Hauptkreises
nur an die Primärquelle angeschlossen Das Wegeventil trennt dabei die Verbindung
der Druckleitung mit der Tankleitung des Hauptkreises früher, als das Wegeventil
der Lenkeinheit die Zweigleitung der Druckleitung des Hauptkreises mit der Tankleitung
des Hilfskreises unterbricht. Die Notquelle kann als eine von dem Fahrtantrieb angetriebene
Hydropumpe, oder als elektrisch betriebene Hydropumpe, oder als Hydrospeicher, oder
als Hydrogetriebe des Fahrzeuges ausgebildet sein.
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In die Zweigleitung der Druckleitung ist ein Rückschlagventil und
ein Stromregler eingeschaltet. Zwischen die Tankleitung und die Druckleitung der
Notquelle ist ein Entlastungsventil eingeschaltet. Im Hauptkreis kann eine Signaleinrichtung
angeschlossen werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in ihrer einfachen Ausführung,
hoher Betriebssicherheit und kleinen Raumbedarf Die hohe Betriebssicherheit ist
damit erreicht, daß der Hilfskreis bei normaler Tätigkeit der Servolenkung nicht
belastet oder nur teilweise belastet wird, so daß er eine natürliche Reserve des
Hauptkreises im Falle einer Störung bildet.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der hydraulischen Servolenkung
nach Erfindung anhand von Zeichnungen anhand von einigen alternativen Ausführungen
beschrieben. Es zeigt.
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Fig. 1 ein Schaltbild einer prinzipiellen Anordnung der Elemente der
hydrostatischen Servolenkung nach Erfindung; Fig. 2 eine alternative Lösung der
hyditstatischen Servolenkung mit einer von den Fahrzeugrädern betriebenen Notquelle;
Fig. 3 eine alternative Lösung der hydrostatischen Servolenkung mit einer als elektrisch
betriebene Notpumpe ausgebildeten Notquelle, und
Fig. 4 eine weitere
Alternative des Erfindungsgegenstandes mit einer als Hydrospeicher ausgebildeten
Notquelle.
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Die Ausführung nach Fig. 1 besteht aus einem Hauptkreis 1 (mit starken
Linien dargestellt) und einem Hilfkreis 2 (mit schwachen Linien dargestellt). Der
Hauptkreis besteht aus einer Primärquelle, d.h. einer Hydropumpe 3, die über eine
Druckleitung 4 mit einem Wegeventil 5 verbunden ist.
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Das Wegeventil 5 ist über Arbeitsleitungen 6, 7 an Arbeitsräume 8',
9' von doppelwirkenden Lenkmotoren 8, 9 angeschlossen. Die Lenkmotoren 8, 9 treiben
einen Lenkmechanismus 11 an, der in Fig. 1 als ein Doppelarmhebel 11 " und ein angelenktes
Rad 12 schematisch dargestellt ist. über eine Zweigleitung 4'' der Druckleitung
4, in der ein Rückschlagventil 13 und ein Stromregler 14 eingeschaltet ist, ist
die Primärquelle 3 an die Eintrittsöffnung der Lenkeinheit 18 angeschlossen. Für
den Bedarf des Erfindungsgegenstandes versteht man hier unter dem Ausdruck Stromregler
14 jedes hydraulische Element, das steuert, begrenzt oder auf andere Weise den Durchfluß
zu dem Steuerelement, d.h. der Lenkeinheit 18, beeinflußt. In Fig. 1 ist als Stromregler
14 eine regulierbare Drossel dargestellt.
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Der Hilfskreis 2 besteht aus einer beliebigen Notquelle 15, die mittels
einer Druckleitung 16 mit einem Rückschlagventil 17 und über eine Zweigleitung 4',
die von der Druckleitung 4 ausgeht, an die Eintrittsöffnung der Lenkeinheit 18 angeschlossen
ist. Die eine Dosierpumpe 18' und ein Wegeventil 18'' enthaltende Lenkcinheit 18
ist über Steuerleitungen 19, 20 mit den Arbeitsräumen 8'', 9'' (Kolbenräumen) der
Lenkmotore 8, 9 und über Zweigleitungen 19', 20' der Steuerleitungen 19, 20 mit
den Betätigungsräumen des Wegeventils 5 verbunden. Die Antriebswelle der Lenkeinheit
18 ist mit einem Lenkrad 25 versehen. Parallel zur Druckleitung 16
kann
ein Entlastungsventil 26, das vom Druck in der Zweigleitung 4'' der Druckleitung
4 gesteuert wird, angeschlossen sein. Zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit des Hauptkreises
1 können übliche Kontroll- und Signaleinrichtungen 21 benutzt fa en. In Fig. 1 wird
zu diesem Zweck ein Druckschalty 3 verwendet, der über eine Zweigleitung 4' " an
die Druckleitung 4 angeschlossen ist, der in Abhängigkeit von dem in der Druckleitung
4 herrschenden Druck die Kontrollleuchte 24 oder eie andere nicht eingezeichnete
Signaleinrichtung ein- oder ausschaltet. Der elektrische Kreis des Druckschalters
23 wird direkt oder undirekt mit dem Zündschalter 22 des Fahrzeugmotores eingeschaltet.
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Zur Vereinfachung sind weder in dem Hauptkreis 1 noch in dem Hilfskreis
2 Druckbegrenzungs- oder andere Ventile eingezeichnet, die die Servolenkung gegen
Uberlastung schützen, weil sie für die Erläuterung des Erfindungsgegenstandes keine
Bedeutung haben.
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Die hydrostatische Servolenkung nach Fig. 2 hat als Notquelle 15 eine
über den Fahrtantrieb 28 angetriebene Hydropumpe 27.
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Die Hydropumpe 27 ist über Zweigleitungen 29, 30 an einen Ventilblock
31, der die Arbeitsfähigkeit der Hydropumpe 27 bei Fahrtrichtungswechsel gewährleistet,
angeschlossen.
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Der Ventilblock 31 kann mannigfaltig ausgeführt werden.
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In Fig. 2 besteht er aus vier üblichen Rückschlagventilen 32.
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In der nruckleitung 16 ist als Stromregler 14' ein Zwei-Wege-Stromreglerventil
eingebaut, das den Gesamtstrom der beiden Quellen, der Primärquelle 3 und der Notquelle
15, in der Lenkeinheit 18 begrenzt, eingeschaltet. Als Hydropumpe 27 kann ein Hydromotor
z.B. ein Zahnrad- oder Kolbenhydromotor, der in beiden Fahrtrichtungen (vorwärts-
rückwärts) funktionsfähig bleibt, benutzt werden. Die übrigen Bestandteile der Servolenkung
sind mit der prinzipiellen
Ausführung gemäß Fig. 1 identisch ausgeführt.
Ihre Bezugszeichen bleiben daher unverändert bestehen.
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Die hydrostatische Servolenkung in der Ausführung nach Fig. 3 hat
als Notquelle 15 die Hydropumpe 27', die von einem Elektromotor 33 angetrieben wird.
Der Elektromotor wird von einer Aku-Batterie 34 des Fahrzeugs gespeist.
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Der Verteiler 5' ist so ausgeführt, daß er in seiner Mittelstellung
die Verbindung der Druckleitung 4 mit der Tankleitung 10 unterbricht oder drosselt.
Den elektrischen Kreis bildet der Zündschalter 22 und der Druckschalter 23 mit Kontrolleuchte
24.
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Die hydrostatische Servolenkung in der Ausführung nach Fig. 4 hat
als Notquelle 15 einen Hydrospeicher 35, der über ein Rückschlagventil 36 aus der
Druckleitung 4 gespeist wird. Mit dem Zwei-Wegeventil 37, der von dem Druck in der
Zweigleitung 4'' der Druckleitung 4 gesteuert wird, ist der Hydrospeicher 35 mit
der Druckleitung 16 und weiter über die Zweigleitung 4' mit der Lenkeinheit 18 verbunden.
In seiner Mittelstellung 0 unterbricht das Wegeventil 18" der Lenkeinheit 18 die
Verbindung der Zweigleitung 4' mit der Tankleitung 10'.
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Bei allen Ausführungen können die Steuerschlitze, die Zentrierfedern
und auch weitere Bestandteile des Wegeventils 5, 5' und des Wegeventils 18" der
Lenkeinheit 18 so ausgeführt werden, daß die Verbindung der Druckleitung 4 mit der
Tankleitung 10 durch das Wegeventil 5 früher getrennt wird, als die Verbindung der
Zweigleitung 4' mit der Tankleitung 10' über das Wegeventil 18'' der Lenkeinheit
18. Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist es vorteilhaft, die Steuerschlitze des Wegeventils
5 so auszubilden, daß dieser in Mittelstellung 0 die Verbindung der Druckleitung
4 mit der Tankleitung 10 unterbricht, eventuell drosselt. Bei
der
Ausführung nach Fig. 4 ist es vorteilhaft, wenn das Wegeventil 18" der Lenkeinheit
18 in seiner Mittelstellung 0 die Verbindung der Zweigleitung 4' mit der Tankleitung
10' unterbricht.
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Beim Normalbetrieb der Servolenkung ist die Primärquelle 3 tätig und
fördert die Flüssigkeit über die Druckleitung 4 in das Wegeventil 5 und über die
Zweigleitung 4' der Druckleitung 4 in die Lenkeinheit 18. Das Entlastungsventil
26 wird von dem Druck in der Zweigleitung 4" geöffnet, wodurch die Notquelle 15
druckentlastet wird. Anhand des Druckes in der Zweigleitung 4''' der Druckleitung
4 ist der Druckschalter 23 ausgeschaltet, so daß die Kontrollleuchte 24 nicht brennt.
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Im Ruhezustand des Lenkrades 25 nehmen die Lenkeinheit 18 wie auch
das Wegeventil 5 ihre Mittelstellungen ein, in denen die Arbeitsleitungen 6, 7 und
Steuerleitungen 19, 20 zu den Lenkmotoren 8, 9 gesperrt sind und die Lage des Lenkmechanismus
11 arretiert ist.
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Wenn das Lenkrad 25 gedreht wird, z.B.nach rechts, verstellt sich
die Lenkeinheit 18 in die Stellung I, in der die Flüssigkeit über die Steuerleitung
19 in den Arbeitsraum 8'' des Lenkzylinders 8 strömt. Zugleich beaufschlagt die
durch die Steuerleitung 19 geförderte Flüssigkeit den linken Betätigungsraum des
Wegeventils 5 und verstellt es in die Stellung I, in der es (5) die Druckleitung
4 mit der Arbeitsleitung 7 verbindet, und die Flüssigkeit in den Arbeitsraum 9'
des Lenkmotors 9 strömt. Die Flüssigkeit, die den beiden Lenkmotoren 8, 9 zugeführt
wird, verschiebt ihre Zylinder nach links, wodurch der schematisch dargestellte
Lenkmechanismus 11 nach rechts versch«-enkt wird. Wird das Drehen des Lenkrads 25
beendet, so stellt sich die Lenkein-
heit 18 und ihr Wegeventil
18" (mittels der Zentrierfedern) in die Mittelstellung 0 ein und der Zufluß der
Flüssigkeit in die (geradlinigen) TJenkmotoren 8, 9 wird unterbrochen und die Bewegung
des 'Jenkmechanismus 11 kommt zum Stillstand. Dadurch, daß das Wegeventil 5 die
Verbindung der Druckleitung 4 mit der Tankleitung 10 drosselt bis unterbricht, und
zwar früher, als das Wegeventil 18' der Lenkeinheit 18 die Verbindung der Zweig-leitung
4' der Druckleitung 4 mit der Tankleitung 10' drosselt bis unterbricht, und dadurch,
daß der Flüssigkeitsstrom zu der Lenkeinheit 18 mit dem Stromregler 14 oder Stromregler
14' begrenzt ist, wird zuerst der Hauptkreis 1 und erst dann der Hilfskreis 2 belastet.
Bei kleineren Lenkwiderständen, das heißt bei den überwiegenden Betriebszuständen
der Servolenkung wird praktisch nur der Hauptkreis 1 belastet und der Hilfskreis
2 überträgt nur die Lenkbefehle und die Rückführung. Nur bei extrem hohen Lenkwiderständen,
die nur selten auftreten, nimmt der Hilfskreis 2 an der Energieübertragung, die
zu dem Lenken notwendig ist, teil. Das trägt in erheblichem Maße dazu bei, daß der
Hilfskreis 2 betriebsmäßig geschont wird und so eine natürliche Reserve für den
Hauptkreis 1 bildet.
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Wenn die Lieferung der Flüssigkeit aus der Primärquelle 3 in Folge
einer Störung oder eines otorausfalls des Fahrtmittels oder einer Störung der Arbeitsleitungen
6, 7 unterbrochen wird, sinkt in der Druckleitung 4 der Druck, was sich darin ausdrückt,
daß sich das Entlastungsventil 26 schließt und der Druckschalter 23 einschaltet
und die Kontrolleuchte 24 aufflammt. Damit ist die ganze Servolenkung, inbegriffen
der Notquelle 15, automatisch für die Ersatz- oder Nottätigkeit vorbereitet.
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Wenn das Lenkrad 25 mit der Lenkeinheit 18 sich im Stillstand befinden,
befindet sich auch der Lenkmechanismus 11 im Stillstand und seine Lage ist arretiert.
Wenn man das Lenkrad und dadurch die Lenkeinheit 25 zum Beispiel nach rechts dreht,
verstellt sich die Lenkeinheit 18 in ihre Stellung I und die Flüssigkeit, die aus
der Notquelle 15 durch die Druckleitung 16, die Zweigleitung 4' in die Lenkeinheit
18 gelangt, fließt durch die Steuerleitung 19 in den Arbeitsraum 8'' des (geradlinigen)
Lenkmotors 8 ab. Die Flüssigkeit aus der Steueleitung 19 beaufschlagt gleichzeitig
(über die Zweiglei-ung 19') das Wegeventil 5 und verstellt es in die Schaltstllung
I, so daß sich die Flüssigkeit in den untätigen Acbeitsräumen 8', 9' verlagern kann
und die Wirkung der Fllissigkeit nicht stört, die von der Steuerleitung 19 in dem
Arbeitsraum 8'' des Lenkmotors 8 zugeführt wird, und stört auch nicht das Verschwenken
des Lenkmechanismus nach rechts.
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Der Betrieb der Sewvolenkung beim Drehen des Lenkrades 25 nach links
ist analog.
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Die Servolenkung in der Ausführung nach Fig. 2 gewährleistet die Notlenkung
in beiden Fahrtrichtungen, solange sich das Fahrzeug bewegt. Das Ansprechen der
Notlenkung ist proportional der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeuges, was den Ansprüchen
an die Notlenkung entspricht. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, daß die Tätigkeit
der Notlenkung nicht zeitlich beschränkt ist.
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Die Servolenkung nach Fig. 3 gewährleistet die. Notlenkunghöchstens
solange, bis die Aku-Batterie 34 entladen ist, d.h. praktisch für einige Zehnersekunden
bis eine Minute.
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Die Servolenkung in der Ausführung nach Fig. 4 gewährleistet die Notlenkung-
nur für in ZeitintervaL,bis der Hydrospeicher 35 entladen ist, d.h. während der
Zeit von einigen Sekunden.
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Als Notquelle 15 kann außer der Notquellen, die in Fig. 1 bis 4 angeführt
sind, jede andere bekannte Quelle dienen.
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So kann zum Beispiel als Notquelle ein hydrostatischer Fahrtantrieb
mit einem Notlenkungsventil (nach CS-Patentanmeldung PV 8740-79), das denhydrostatischen
Fahrtantrieb im Falle der Störung der Primärquelle 3 an die Servolenkung anschließt,
benutzt werden. Als.Notquelle kann auch eine von einem Schwungrad betriebene Hydropumpe
benutzt werden.
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Bei der Notfunktion der Servolenkung wirkt die Flüssigkeit aus der
Notquelle 15 nur in zwei von den vier Arbeitsräumen der Lenkmotoren 8, 9. Aus diesem
Grunde ist die Kraftwirkung des Lenkmechanismus 11 kleiner. Auch diese kleinere
Kraftwirkung genügt zum überwinden der Lenkwiderstände bei der Fahrt auf der Straße
oder der provisorischen Kommunikation, weil nur selten ein Bedarf für eine maximale
Kraftwirkung der Lenkung auf die Servolenkung besteht, vorwiegend nur bei extremen
Arbeitsbedingungen, wann die Notlenkung nicht nötig ist. Wäre es notwendig, die
Kraftwirkung beim Kraftfahrzeug zu erhöhen, z.B. bei einem enormen Druckanstieg
in einer der Steuerleitungen 19, 20, so kann dies mit Hilfe von bekannten Mitteln
erzielt werden, welche bei einem enormen Druckanstieg in einer der Steuerleitungen
19, 20 die Steuerleitung 19 mit der Arbeitsleitung 7 und die Steuerleitung 20 mit
der Arbeitsleitung 6 verbinden Eine darüber hinaus anzuführende Tatsache, daß die
Flüssigkeit aus der Notquelle 15 nur in die Arbeitsräume 8'', 9'' der Lenkmotore
8, 9 gelangt, äußert sich positiv dahingehend,
daß sie die Tätigkeit
der Notlenkung beschleunigt, eventuell verlängert und damit den Nachteil der bekannten
Servolenkungen beseitigt, der sich entweder durch eine verhältnismäßig kleine Ansprechgeschwindigkeit
oder durch eine kurze Wirkungszeit der Notlenkung äußert. Die Erfindung ermöglicht
auch in begrenztem Raum und mit geringem Aufwand eine maximale Funktionsfähigkeit
und eine betriebsfähige Notlenkung.
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Die hydrostatische Servolenkung ist nicht nur auf die dargestellten
Ausführungen beschränkt, sondern kann grundsätzlich auch in Einzelheiten unterschiedlich
ausgeführt werden.
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Die Servolenkung kann aus hydraulischen Standard-Elementen gebildet
werden. Konstruktion, Funktion und Ausführung des Wegeventils 5 der Servolenkung
und auch der Lenkeinheit 18, namentlich die Durchschaltung ihrer Kanäle, können
sehr verschieden sein, je nach den Besonderheiten der verschiedenen Anwendungen,
z.B. das Wegeventil 5 kann eine geschlossene Mitte aufweisen. Auch die anderen hydraulischen
Elemente, namentlich die N6tquelle 15, der Stromregler 14 können verschieden ausgeführt
werden. Nach Bedarf können mehr als zwei Lenkmotoren gebraucht werden. Es ist aber
auch möglich, Rotations-Hydromotore zu verwenden.
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Die hydrostatische Servolenkung nach Erfindung kann bei allen mobilen
Maschinen und Fahrzeugen verwendet werden.