DE4139506C2 - Drehschieberventil für Servolenkungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drehschieberventil nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Ein derartiges Drehschieberventil ist aus DE-OS 19 13 837 bekannt.

Derartige Drehschieberventile weisen eine Eingangswelle auf, die meist über eine flexible Kupplung mit dem Steuerrad des Fahr­ zeugs verbunden ist und auf ihrer Außenseite eine Vielzahl von längs ausgerichteten, endseitig geschlossenen Schlitzen trägt, die von Stegen getrennt sind. Auf der Eingangswelle ist eine Hülse gelagert, die in ihrer Bohrung eine ähnliche Gruppe von längsverlaufenden, geschlossenen Schlitzen aufweist, welche nicht voll überdeckend auf die der Eingangswelle passen, d. h. die Schlitze des einen breiter als die Stege des anderen sind und so einen Satz von längs ausgedehnten Öffnungen definieren, die sich bei Drehungen der Eingangswelle und der Hülse gegenein­ ander öffnen und schließen.

Eine in die Eingangswelle eingebaute Torsionsstange dient dazu, die Eingangswelle und die Hülse in eine neutrale, zentrierte Position zu drücken, wenn keine Kraftunterstützung erforderlich ist. Wenn der Fahrer ein Drehmoment auf das Steuerrad ausübt, verdreht sich die Torsionsstange, wodurch eine relative Dre­ hung zwischen der Hülse und der Eingangswelle aus ihrer neutra­ len Position verursacht wird und so Öl zu der rechten und der linken Arbeitszylinderkammer gelenkt wird.

Bohrungsbereiche in der Eingangswelle und der Hülse dienen zu­ sammen mit auf der Außenfläche der Hülse umlaufenden Nuten zur Kommunikation von Öl zwischen den Schlitzen der Eingangswelle und der Hülse, einer motorangetriebenen Ölpumpe und einer rech­ ten und einer linken hydraulischen Arbeitszylinderkammer, die im Lenkgetriebe eingebaut sind. Das aus DE-OS 19 13 837 bekannte Drehschieberventil weist bogenförmige Schlitze in der inneren Bohrung in der Hülse auf, die in axialer Richtung alle die glei­ che Ausdehnung haben und vor den Enden der Bohrung enden. Die Schlitze haben eine Steuerfunktion für die Leitung der Druck­ flüssigkeit von den Hydraulikeinlässen in der Hülse zu den ent­ sprechenden Servozylindereinlässen. Abhängig von der relativen Stellung zwischen der Eingangswelle und der Hülse wird die Hy­ draulikflüssigkeit entweder zu einem der beiden Servozylinderanschlüsse oder über Schlitze in der Oberfläche der Eingangswelle, die in axialer Richtung an einem Ende über die Hülse hinausragen und in einen Abfluß aus dem Gehäuse einmünden, zum Tank geleitet. Die langgezogenen Schlitze für den Rückfluß in der Oberfläche der Eingangswelle sind in Hinblick auf deren Torsionsfestigkeit nachteilig. Dies ist besonders wichtig beim Ausfallsicherungsbetrieb, wo die Eingangswelle das volle manuelle Steuerdrehmoment bei Ausfall einer Torsionsstange aufnehmen muß. Die reduzierte Torsionsfe­ stigkeit mag bei Eingangswellen mit großem Durchmesser (typi­ scherweise 22 bis 23 mm Durchmesser) aufgrund der erheblichen überschüssigen Festigkeit, die in der Konstruktion derartiger Komponenten in den 60er Jahre vorhanden war, tolerierbar sein. Bei den modernen miniatorisierten Servolenkungsventilen mit Durchmessern der Eingangswelle von typischerweise 18 bis 19 mm sind jedoch axial langgezogene Rückflußschlitze in der Ein­ gangswelle im Hinblick auf die Torsionsfestigkeit nicht mehr hinnehmbar. Im Hinblick auf die Torsionsfestigkeit sind axial ausgedehnte Schlitze in der Hülse zum Ölrückfluß die vorteilhaf­ tere Konstruktion, da diese Komponente niemals, auch nicht im Ausfallsicherungsmodus, hohen Torsionsbelastungen ausgesetzt ist.

Ein für die vorliegende Erfindung in Hinblick auf die Ausführung des Ölrückflusses relevanter Stand der Technik ist in DE 33 14 925 A1 beschrieben, worin ein Ventil gezeigt ist, das geradlini­ ge axiale Öl-Rückflußschlitze in der Innenbohrung der Hülse in Verbindung mit Abschlußringen erfordert, welche in Bohrungen an jedem Ende der Hülse gedrückt sind, um die Schlitze zu schlie­ ßen. Die geradlinigen Schlitze sind am Umfang abwechselnd als Zufuhr- und Rückflußschlitze angeordnet, wobei die Zufuhrschlit­ ze flach genug gestaltet sind, damit die Abschlußringe die Schlitze hydraulisch abdichten können, wohingegen die Rückfluß­ schlitze verhältnismäßig tiefer ausgebildet sind, um den Ölrück­ fluß aus der Hülse unter den Abschlußringen hindurch zu ermögli­ chen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einstückiges Drehschieberventil der eingangs genannten Art so fortzubilden, daß ein optimaler Ölrückflußweg gebildet wird, der die Tor­ sionsfestigkeit der Eingangswelle möglichst wenig beeinträchtigt und Zischgeräusche des abfließenden Öls möglichst vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Verbindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Die Vorteile gegenüber der in DE 33 14 925 A1 beschriebenen Konstruktion können wie folgt dargestellt werden:

Zunächst entfällt durch das Fehlen der Abschlußringe die Notwen­ digkeit von Bohrungen an den Enden der Hülse, wodurch eine we­ sentlich dünnere Wandkonstruktion der Hülse ermöglichst ist und darum der Außendurchmesser bei gegebenem Innendurchmesser redu­ ziert werden kann, wobei dennoch genügend Festigkeit erhalten bleibt, um den durch hydraulischen Druck während des Betriebs entstehenden Spannungen zu widerstehen. Ebenso wird die Länge der Hülse, gemessen in axialer Richtung parallel zur Bohrung, erheblich reduziert. Der reduzierte Außendurchmesser und die reduzierte Länge der Hülse und die damit einhergehende reduzier­ te Gesamtgröße des Ventils und des Ventilgehäuses führen zu einer erheblichen Verminderung des Materialbedarfs und daher der Kosten und des Gewichts des gesamten Lenkgetriebes.

Zweitens bietet die einstückige Hülse konstruktionsbedingt eine größere inhärente Verläßlichkeit im Vergleich zur dreistückigen Hülsenkonstruktion im Stand der Technik, da keine Abschlußringe benötigt werden, die sich lösen oder leck werden können.

Drittens schafft der bogenförmige Querschnitt der Rückfluß­ schlitze einen tiefen Sammelleitungsbereich, um das Öl zu sam­ meln, wenn es die letzten Steuerkanten in die Schlitze passiert, und dennoch wird das Öl durch scharfkantige Öffnungen geleitet, die eine relativ kleinere Querschnittsfläche am Punkt des Ölaus­ tritts aus der Hülse haben.

Derartige scharfkantige Öffnungen können zweckdienlich dafür eingesetzt werden, eine geeignete, kleine Drosselung des Ölflus­ ses beim Austritt aus der Hülse zu schaffen. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Drosselung im Hydraulikkreis direkt hinter der letzten Steuerkante vor dem Ölrückfluß deutliche Auswirkungen auf die Reduzierung von Ventil-Zischgeräuschen haben kann, die typischerweise durch die Steuerkanten derartiger Ventile unter Bedingungen höchsten Betriebsdruckes erzeugt wer­ den (z. B. bei Parkmanövern). Es scheint, daß diese Drosselung, obwohl sie nur zu einem Anstieg des rückstaubedingten Drucks auf das Servolenkungsventil von etwa 30 bis 50 kPa führt, sich si­ gnifikant auf die Reduzierung von Kavitation, wenn das Öl die Steuerkanten passiert, auswirkt. Eine ähnliche Drosselung, die weiter stromabwärts im Hydrauliksystem angeordnet ist, d. h. näher am Punkt des letztendlichen Ölrückflusses zum Hydraulik­ reservoir, hat sich in Experimenten wesentlich weniger effektiv bei der Unterdrückung von Ventilzischen gezeigt.

Wie in der Technik von Servolenkungen bekannt ist, steigt oder Geräuschlevel durch Ventilzischen gewöhnlich mit steigender Hydrauliköltemperatur wegen des entsprechenden Anstiegs des Dampfdrucks der Flüssigkeit. Würde eine Drosselung des Ölflusses in der Hülse beispielsweise durch eine Bohrung mit reduziertem Durchmesser im Ventilrückflußanschluß durchgeführt, so würde sich der durch eine solche Drosselung bewirkte Rückstaudruck mit ansteigender Öltemperatur dramatisch reduzieren aufgrund der erwähnten Reduzierung der Ölviskosität. Eine Bohrung mit einer Länge, die wenigstens ihrem zweifachen Durchmesser entspricht, erzeugt durch viskoseartigen Energieverlust einen Rückstaudruck aufgrund des laminaren Ölflusses in solchen Öffnungen. Wird daher eine einfache Bohrung als Öldrossel verwendet, ist der Rückstaudruck bei der Temperatur minimal, bei der tatsächlich ein maximaler Rückstaudruck erforderlich ist, um Zischgeräusche zu unterdrücken.

Andererseits sind die scharfkantigen Öffnungen, die durch die langgezogenen Rückflußschlitze in der Hülse geschaffen werden, wesentlich weniger viskositätsabhängig. Das heißt sie erzeugen einen nahezu konstanten Rückstaudruck für einen gegebenen Ölfluß unabhängig von der Öltemperatur. Scharfkantige Öffnungen werden im allgemeinen als Klasse von Öffnungen definiert, in denen sich die Querschnittsfläche der Öffnung schnell in Flußrichtung redu­ ziert auf eine minimale Fläche in einer einzelnen Ebene senk­ recht zur Flußrichtung und die Querschnittsfläche danach schnell ansteigt. Die Strömungsdynamik scharfkantiger Öffnungen gegen­ über loch- oder röhrenförmigen Öffnungen wird ausführlich in Büchern wie "Hydraulic Control Systems" von Herbert E. Merritt (John Wiley and Sons, Inc. 1967) behandelt und wird hier deshalb nicht weiter ausgeführt. Scharfkantige Öffnungen sind darum bei der Geräuschunterdrückung in Servolenkungsventilen bei hohen Öltemperaturen besonders wirksam, wobei eine solche Anordnung keine höheren Kosten oder gesteigerte Komplexität aufgrund der Geometrie der langgezogenen bogenförmigen Rückflußschlitze in der Hülse bedingt.

Die geradlinigen oder prismenförmigen Ölrückflußschlitze, die DE 33 14 925 A1 zeigt, können konstruktionsbedingt am Ölaus­ trittspunkt aus der Hülse keine Drosselung durch eine scharfkantige Öffnung erreichen. Tatsächlich ist die Konstruk­ tion in dieser Patentschrift darauf ausgelegt, den hydraulischen Rückstaudruck im Servolenkungsventil zu reduzieren.

Viertens können die langgezogenen bogenförmigen Rückflußschlitze so angeordnet werden, daß sie nur an einem Ende aus der Hülse herausreichen, im Gegensatz zu den geradlinigen Schlitzen, die Gegenstand der DE 33 14 925 A1 sind. Die letzteren Schlitze erstrecken sich notwendig durch beide Enden der Hülse aufgrund der zu ihrer Herstellung angewendeten Räumungsmethode. Wie in der Technik von Servolenkungen bekannt ist, wird der Ölfluß normalerweise nur von einer Seite der Hülse abgeführt, weswegen die bogenförmigen Schlitze, die sich nur durch ein Ende der Hülse erstrecken, vorteilhaft gegenüber der funktionell redun­ danten Anordnung in DE 33 14 925 A1 sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Schlitze die Form eines Kreissegments, wobei die Krümmungsradien der zweiten Schlitze größer als die Krümmungsradien der ersten Schlitze sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die maximale radiale Tiefe der zweiten Schlitze größer als die maximale ra­ diale Tiefe der ersten Schlitze.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die bogenför­ migen Rückflußschlitze mit einem relativ großen Krümmungsradius gestaltet, und die Zentren der Krümmungskreise gegenüber denen der Zufuhrschlitze axial versetzt. Dies hat zur Folge, daß die äußere radiale Eindringtiefe der Rückflußschlitze begrenzt wird, welche natürlich länger sind als die Zufuhrschlitze. Hülsen mit bogenförmigen Schlitzen an der Innenbohrung können leicht in Massenproduktion mit Fräsmaschinen hergestellt werden. Verschie­ dene Schlitz-Krümmungsradien und Zentren der Krümmungskreise von Rückfluß- und Zufuhrschlitzen können einfach durch zweifache Bearbeitung des Teils in zwei Fräsmaschinen hergestellt werden. Bei einer Hülse mit acht Schlitzen beispielsweise kann die erste Fräsmaschine die vier langen Rückflußschlitze mit großem Krüm­ mungsradius und die zweite Maschine die vier kürzeren Zufuhr­ schlitze mit geringerem Krümmungsradius herstellen.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Drehschiebers wird durch Er­ halten der erwähnten, nicht voll überdeckenden Beziehung zwi­ schen Hülsenschlitzen und Wellenschlitzen über die ganze Länge der Steuerkanten jener Schlitze maximal. Dies wird in der vor­ liegenden Erfindung dadurch erreicht, daß die vom zugehörigen Rückflußanschluß abgewandten Enden von Hülsen- und Wellenschlit­ zen axial zueinander ausgerichtet sind. Jede nicht vollständige Ausrichtung dieser Enden von zugehörigen Hülsen- und Wellen­ schlitzen bewirkt eine Verkürzung der effektiven Steuerlänge des Ventils und würde daher sein Ansprechen vermindern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Drehschieberventilanord­ nung;

Fig. 2 eine Vergrößerung des Bereichs A aus Fig. 1;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, aber mit den wesent­ lichen Merkmalen der in DE 33 14 925 A1 beschriebenen Vorrichtung; und

Fig. 4 eine Vergrößerung des zu Fig. 2 äquivalenten Bereichs, der aber gemäß DE-OS 19 13 837 gestaltet ist.

Fig. 1 zeigt eine Drehschieberventilanordnung 1 und Fig. 2 den Bereich A der Ventilanordnung. Die Ventilanordnung 1 weist als Hauptkomponenten eine Hülse 2, eine Eingangswelle 3, ein Ritzel 4 und eine Torsionsstange 5 auf, weiche die Eingangswelle 3 und das Ritzel 4 nachgiebig verbindet. Zusammen mit einer Vielzahl von Dichtungen, Stiften, Schellen und Lagern ist die Ventilan­ ordnung 1 in einem Ventilgehäuse 6 untergebracht, welches mit dem Gehäuse 7 des Zahnstangenlenkgetriebes verschraubt ist.

Für die vorliegende Erfindung ist nur die spezielle Funktions­ weise der Ventilanordnung 1 von Bedeutung, soweit sie die Me­ thode des Ölrückflusses aus der Ventilanordnung in das Hydrau­ likreservoir betrifft. Daher wird, wie schon zuvor erwähnt, hier keine allgemeine Beschreibung der Funktionsweise der Ventilan­ ordnung gegeben.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hülse mit sechs Schlitzen ausgeführt und hat darum am Umfang der Bohrung 8 drei Zufuhr­ schlitze 9 und drei Rückflußschlitze 10. Diese Zufuhr- und Rück­ flußschlitze sind abwechselnd zwischen sechs Schlitzen 11 der Eingangswelle mit nicht vollständiger Überdeckung angeordnet, wie in der zuvor beschriebenen Technik von Drehschiebern üblich.

Die Zufuhrschlitze 9 sind als übliche bogenförmige, endseitig geschlossene Schlitze ausgeführt, die bogenförmigen Rückfluß­ schlitze 10 hingegen langgezogen gestaltet, wodurch ein Ölrück­ fluß 12 mit axialem Austritt aus der Hülse über eine Drosselung an den scharfkantigen Öffnungen, die bei 13 gebildet sind, ge­ schaffen wird. Die scharfkantigen Öffnungen werden gebildet, indem die bogenförmigen Schlitze 10 den axialen Rand 14 der Hülse 2 nahe am Außendurchmesser 22 der Eingangswelle 3 aber innerhalb des Hülsenmantels 15 schneiden. Der Ölrückfluß 12 läuft über die große ringförmige Kammer 16, die den Hülsenmantel 15 und das Ritzel 4 trennt, und durch den Öldurchlaß 17 aus dem Ventilgehäuse 6 ab.

Die durch die scharfkantigen Öffnungen, welche in dem durch das Bezugszeichen 13 gekennzeichneten Bereich des Rückflußanschlus­ ses gebildet sind, ausgeübte hydraulische Drosselung bewirkt, daß eine Druckdifferenz über diese Öffnungen erzeugt wird, wenn das Öl diese passiert, und dadurch einen zusätzlichen Rückstau­ druck, der auf dem gesamten Hydraulikkreis vor diesen Öffnungen wirkt, d. h. bis zurück zur Hydraulikpumpe. Die Geometrie dieser scharfkantigen Öffnungen ergibt sich aus der Bogenform der Rück­ flußschlitze 10 und bewirkt, wie zuvor erläutert, daß der Betrag dieses zusätzlichen Rückstaudrucks relativ unabhängig von der Öltemperatur ist und darum eine ideale, kostengünstige Methode zur Reduzierung von Ventilzischgeräuschen darstellt, die typi­ scherweise aufgrund von Ölkavitation bei hohen Temperaturen auftreten.

Aus den Fig. 1 und 2 ist auch ersichtlich, daß die Rückfluß­ schlitze 10 in der Hülse 2 einen größeren Krümmungsradius und nach rechts versetzte Mittelpunkte der Krümmungskreise gegenüber den bogenförmigen Zufuhrschlitzen 9 aufweisen, während sie an der vom Rückflußanschluß 13 abgewandten Seite die gleiche axiale Ausdehnung haben. Wie erwähnt ermöglicht dies, daß die Rückfluß­ schlitze 10 den axialen Rand 14 der Hülse 2 durchschneiden, und zwar nahe am Außendurchmesser 22 der Eingangswelle 3, wobei die Schlitze 10 dennoch auf eine nahezu gleiche Tiefe wie die Zu­ fuhrschlitze 9 beschränkt bleiben. Die Festigkeit der Hülse 2 wird daher nicht beeinträchtigt.

In den Fig. 3 und 4 sind die Komponenten, die denen aus Fig. 1 und 2 entsprechen, aber gemäß DE 33 14 925 A1 und DE-OS 19 13 837 ausgeführt sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß die konstruktiven Unterschiede zwischen dem Stand der Tech­ nik und der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung leicht erkennbar sind.

Im Fall von Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Rückflußschlitze 10 geradlinig sind und der axiale Ölrückfluß unter den Abschlußrin­ den 18 durch lange und schmale Durchlässe 19 stattfindet. Wie zuvor erläutert sind die Durchlässe 19 nicht dazu ausgelegt, durch ihre Öffnungen einen Rückstaudruck auf das Ventil zu schaffen, um Geräusche durch Kavitation zu vermindern (in der Tat bewirken sie das Gegenteil). Wenn diese Durchlässe hinrei­ chend schmal ausgebildet werden, um einen derartigen Rückstau­ druck zu erzeugen, wären sie bei weitem zu stark viskositäts­ abhängig, um bei hohen Öltemperaturen eine hinreichend Reduktion des Ventilzischens zu erreichen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß diese Durchlässe in die Klasse der zuvor erwähnten röhren­ förmigen Öffnungen fallen.

Im Fall von Fig. 4 wird das Öl über die langgezogenen bogenför­ migen Schlitze 20 in der Eingangswelle 3 zurückgeführt. Die nicht langgezogen ausgebildeten Schlitze 21 kommunizieren mit der Ölzufuhr, während die endseitig geschlossenen, bogenförmigen Schlitze 23 in der Hülse 2 mit den Hydraulikzylinderanschlüssen verbunden sind. Es ist offensichtlich, daß die Funktionsweise dieses Drehschieberventils sich wesentlich von der vorliegenden Erfindung oder der Vorrichtung aus DE 33 14 925 A1 aus Fig. 3 unterscheidet. Fig. 3 macht die Impraktikabilität des Einsatzes von langgezogenen, bogenförmigen Rückflußschlitzen in der Ein­ gangswelle aufgrund des signifikanten Verlustes an Torsionsfe­ stigkeit dieser Komponente deutlich.

Claims (6)

1. Drehschieberventil mit einer Eingangswelle (3), die in einer Hülse (2) gelagert ist, mit einem Rückflußanschluß (13) an einem Ende der Hülse und mit einer Gruppe von ersten und zweiten im wesentlichen bogenförmigen Schlitzen (9, 10) in der inneren Bohrung (8) der Hülse (2), wobei wenigstens einer der ersten Schlitze (9) in axialer Richtung kurz vor den Enden der Bohrung endet und wobei die ersten und zweiten Schlitze (9, 10) an ihren von dem Rückflußanschluß (13) entfernten axialen Enden im wesentlichen die gleiche Aus­ dehnung in axialer Richtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens einer der zweiten Schlitze (10) bis zu dem dem Rückflußanschluß (13) zugewandten Ende der Bohrung (8) erstreckt, um den hydraulischen Rückflußanschluß (13) zu schaffen, der von der Außenfläche der Eingangswelle (3) und dem wenigstens einen der zweiten Schlitze (10) begrenzt wird und eine scharfkantige Öffnung bildet.

2. Drehschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Schlitze (9, 10) die Form eines Kreis­ segments haben.

3. Drehschieberventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der Krümmungskreise der zweiten Schlit­ ze (10) gegenüber den Mittelpunkten der Krümmungskreise der ersten Schlitze (9) axial versetzt sind.

4. Drehschieberventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien der zweiten Schlitze (10) größer als die Krümmungsradien der ersten Schlitze (9) sind.

5. Drehschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale radiale Tiefe der zweiten Schlitze (10) größer als die maximale radiale Tiefe der ersten Schlitze (9) ist.

6. Drehschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schlitze (9) als Zufuhrschlitze für das Ven­ til gebildet sind.