DE102004015991A1

DE102004015991A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102004015991A1
Application number: DE102004015991A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Leutner
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-11-03
Also published as: US20050258384A1; GB0506395D0; GB2412637B; FR2868381A1; ITTO20050210A1; GB2412637A; FR2868381B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (1), insbesondere zur Bereitstellung eines gesteuerten Druckmittel-Druckes für eine hydraulische Servolenkung, mit einem ersten Steuerelement (2) und einem zweiten Steuerelement (3), wobei das erste und das zweite Steuerelement (2, 3) unter Einfluß einer Sollwerteingabe an einer Lenkhandhabe (4) relativ zueinander bewegbar sind und mit einem Rückstellelement (5) in eine Neutrallage zueinander bringbar sind, und mit einer Antriebseinrichtung (6), mit der die Steuerelemente (2, 3) unabhängig von der Sollwerteingabe an der Lenkhandhabe (4) relativ zueinander bewegbar sind, um die hydraulische Mitte des Ventils (1) zu verstellen. DOLLAR A Um ein Ventil, das klein baut und einfach und sicher in der Funktion ist, zu schaffen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Antriebseinrichtung (6) als koaxial zu dem Ventil (1) gebildeten elektrodynamischen Antrieb (7) und/oder mit einem elektrostatischen Schrittmotor zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere zur Bereitstellung eines gesteuerten Druckmittel-Druckes für eine hydraulische Servolenkung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Insbesondere bei Nutzfahrzeugen stellt eine hydraulische Servolenkung eine sinnvolle Möglichkeit zur Lenkkraftunterstützung dar. Hydraulische Servolenkungen weisen ein Ventil zur gesteuerten Zumessung von Druckmittel in Arbeitsräume eines Servozylinders eines Aktuators zur Betätigung gelenkter Räder eines Fahrzeuges auf. Servoventile können translatorisch zueinander bewegte Steuerelemente oder rotatorisch zueinander bewegbare Steuerelemente aufweisen und beispielweise als Drehschieberventil ausgebildet sein. Ein als Drehschieber ausgebildetes erstes Steuerelement wird dabei von einem an einer Lenkhandhabe aufgebrachten Lenkmoment relativ zu einem zweiten Steuerelement, das als Steuerbuchse ausgebildet ist, verdreht. Der Drehschieber und die Steuerbuchse sind über einen, in einer Axialbohrung der Steuerelemente angeordneten Drehstab verbunden, welcher den Drehschieber und die Steuerbuchse in ihrer Mittelstellung relativ zueinander zu halten versucht. An der Steuerbuchse ist ein beispielsweise als Ritzel ausgebildetes Abtriebsglied festgelegt, welches mit einer Zahnstange kämmt, die getrieblich mit Radlenkhebeln der gelenkten Räder des Fahrzeugs verbunden sein kann.

Eine Variation der Lenkunterstützungskennlinie in Abhängigkeit von Fahrzeug- und Fahrtparametern oder eine autonome, nicht von einem Fahrer unterstützte Funktion, wie das Einparken, oder gar autonomes Fahren ist mit solch einem Ventil nicht darstellbar.

Die DE 202 18 733 U1 beschreibt ein Ventil für eine hydraulische Servolenkung zur Bereitstellung eines gesteuerten Druckmittel-Druckes mit einem ersten Steuerelement und mit einem zweiten Steuerelement, wobei das erste und das zweite Steuerelement unter Einfluß einer Sollwerteingabe an einer Lenkhandhabe relativ zueinander bewegbar sind und aus ihrer Mittellage in die eine oder andere Richtung relativ zueinander begrenzt verdrehbar sind um eine Lenkunterstützung zu erzeugen. Das Ventil weist ferner eine Antriebseinrichtung auf, mit der die Lenkcharakteristik in verschiedener Weise beeinflusst werden kann, indem die Steuerelemente relativ zueinander unabhängig von der Sollwerteingabe an der Lenkhandhabe bewegbar sind.

Das vorgeschlagene Ventil ist im Bauraum nicht minimiert und bedarf zudem montageintensiver Sicherheitseinrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil, insbesondere für eine hydraulische Servolenkung, zu schaffen, das klein baut und einfach und sicher in der Funktion ist.

Die Aufgabe wird mit einem Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch dass die Steuerelemente des Ventils entweder von einer elektrodynamischen Antriebseinrichtung, die koaxial zu dem Ventil und vorzugsweise in die Gestaltsform des Ventils integriert ist, gebildet ist, oder die Antriebseinrichtung aus einem klein bauenden elektrostatischen Schrittmotor unter Verwendung eines Dehnkörpers etwa aus siliziumhaltigem Material gebildet ist, läßt sich das Ventil mit wenig Bauraumbedarf gestalten und ohne umfangreiche Sicherungsmaßnahmen oder auch Kühlungsmaßnahmen für den Antrieb darstellen.

Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In Abhängigkeit von der gewählten Motorbauart in der Antriebseinrichtung können höchste Anfangsmomente oder Druckkräfte, verbunden mit kleinsten Schrittweiten zur Relativbewegung des ersten und zweiten Steuerelements realisiert werden.

Die Antriebseinrichtung kann mit einem koaxial zu dem Ventil gebildeten elektrodynamischen, rotierenden Antrieb, oder mit einem elektrodynamischen Linearmotor ohne Permanentmagneten, oder mit einem als Gleichstrommotor oder Wanderfeldmotor ausgebildeten Antrieb versehen sein, wobei ein Lagesensor oder Drehwinkelsensor, der auch Teil einer Kommutierungseinrichtung des Antriebs sein kann, die Relativbewegung und/oder die Relativposition des ersten und zweiten Steuerelementes misst. Eine Lagerückmeldung der Steuerelemente kann auch auf optoelektrischem Wege erfolgen. Eine Möglichkeit eine hohe Stellkraft bei feinster Schrittweite und geringstem Bauraumbedarf der Antriebseinrichtung zu realisieren, ist die Anwendung eines vorzugsweise piezoelektrischen oder magnetostriktiven Mikroschrittmotors. Die Dehnelemente solcher Mirkoschrittmotoren lassen sich in ihrer Gestalt dem Bauraum des Ventils anpassen. Es können mit in Reihe geschalteter Folien von piezoelektrischen Stoffen, wie Keramiken auf Basis seltener Erden oder Bariumnitrat, ausreichende Stellwege des ersten Steuerelements gegenüber dem zweiten Steuerelement des Ventils realisiert werden.

Die Relation der von der Sollwerteingabe des Fahrers an der Lenkhandhabe induzierten Verschiebebewegung des ersten Steuerelements gegenüber dem zweiten Steuerelement zu der von der Antriebseinrichtung induzierten Verschiebebewegung der Steuerelemente zueinander ist prinzipiell frei wählbar. Es ist zweckmäßig, den möglichen Verschiebeweg des ersten Steuerelements relativ zu dem zweiten Steuerelement, hervorgerufen durch die Antriebseinrichtung kleiner zu wählen als den möglichen Verschiebeweg der Steuerelemente durch die Sollwerteingabe an der Lenkhandhabe. Bevorzugt ist der durch die Relativbewegung der Steuerelemente von der Antriebseinrichtung hervorgerufene Druck des Druckmittels höchstens etwa halb so groß wie der maximale, von dem Ventil gesteuerte Druckmittel-Druck. Für den Fahrer des Fahrzeugs bleibt somit mindestens eine Verstellmöglichkeit der beiden Steuerelemente des Ventils von der Größe, dass mindestens der halbe maximale Druckmittel-Druck angesteuert werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Ventils ist dieses als Drehschieberventil ausgebildet. Das erste Steuerelement ist als Drehschieber und das zweite Steuerelement als Steuerbuchse ausgebildet und zueinander drehbeweglich koaxial angeordnet. Der Drehschieber ist in an sich bekannter Weise über ein als Drehstab ausgebildetes Rückstellelement mit der Lenkhandhabe drehfest verbunden und über den Drehschieber in begrenzter Weise relativ zu der Steuerbuchse verdrehbar mit dieser verbunden. Die Steuerbuchse ist mit einem als Ritzel ausgebildeten Abtriebsglied des Ventils verbunden, wobei das Ritzel – einen zusätzlichen Verschiebe- oder Rotationsweg zu der Steuerbuchse ermöglichend – in begrenzter Weise gegen die Steuerbuchse verdrehbar ist.

Das Ritzel kann von der Antriebseinrichtung relativ zu der Steuerbuchse verdreht werden. Der Antrieb der Antriebseinrichtung ist als elektrodynamischer Antrieb mit koaxial zu einer Längsachse des Ventils angeordnetem Stator und Rotor ausgebildet. Der Rotor des Schrittmotors ist mit der Steuerbuchse fest verbunden und der Stator ist mit dem Abtriebsglied oder Ritzel drehfest verbunden. Der Antrieb kann dabei sehr klein bauend sein, da er nicht im Kraftfluß zwischen dem Drehstab und dem Abtriebsglied liegt. Es kann auch zweckmäßig sein, durch die Antriebseinrichtung den Drehstab relativ zu dem Drehschieber verdrehbar zu gestalten, oder das Ritzel oder Abtriebsglied relativ zu dem Drehstab verdrehbar zu gestalten. Der Antrieb der Antriebseinrichtung braucht nicht zwangsläufig als direktantreibender Schrittmotor oder Mikroschrittmotor ausgebildet zu sein, sondern es lässt sich jede Art von geeignetem Untersetzungsgetriebe, Kurvengetriebe, das eine Bewegungsrichtung des Antriebs in eine andere Bewegungsrichtung der Steuerelemente umwandeln kann, einsetzen. Wird ein Mikroschrittmotor angewandt, so kann es zweckmäßig sein, dessen Stellweg durch ein Übersetzungsgetriebe zu vergrößern. Bevorzugt ist die Antriebseinrichtung mit einem Wegesensor in einem Gehäuse des Ventils untergebracht und gekapselt. Die Antriebseinrichtung oder auch Teile von ihr, können mit dem Ventil sowohl fest verbunden sein, als auch mit dem Ventil oder Teilen des Ventils bewegbar ausgebildet sein.

Das Ventil eignet sich insbesondere um unterschiedliche Arten von Komfortfunktionen auch für Nutzfahrzeuge oder schwere Personenkraftfahrzeuge darzustellen.

Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil.
In 1 ist in einem schematischen Längsschnitt ein Ventil 1 für eine hydraulische Servolenkung eines Nutzfahrzeugs gezeigt, welches ein Stufenzylinder-artiges Gehäuse 17 mit einem an einem axialen Ende des Ventils 1 angeordneten Deckel 18 aufweist. Das Ventil 1 ist als Drehschieberventil 9 ausgebildet und mit einem nicht gezeigten Druckmittelbehälter und einer hydraulischen Pumpe verbunden. Der Druckmittelbehälter ist fluidisch mit einem Niederdruckanschluß und die hydraulische Pumpe mit einem Hochdruckanschluß des Drehschieberventils 9 fluidisch verbunden. Das Drehschieberventil 9 steuert Druckmittel in Abhängigkeit von einer Sollwerteingabe an einer Lenkhandhabe 4 des Nutzfahrzeuges in nicht gezeigte Arbeitsräume eines hydraulischen Aktuators zur Lenkwinkelverstellung gelenkter Räder des Nutzfahrzeugs.
In dem Gehäuse 17 des Drehschieberventils 9 ist ein zylindrischer Drehschieber 10, welcher ein erstes Steuerelement 2 des Ventils 1 bildet, in einer Steuerbuchse 11, welche ein zweites Steuerelement 3 des Ventils 1 bildet, drehbeweglich gelagert. Der Drehschieber 10 ist über ein als Drehstab 12 ausgebildetes Rückstellelement 5 mit der Steuerbuchse 11 verbunden. Die Steuerbuchse 11 ist mit einem als Ritzel 13 ausgebildeten Abtriebsglied 14 drehfest verbunden, wobei das Ritzel 13 mit einer nicht gezeigten Zahnstange kämmt. Bei Aufbringen eines Lenkmomentes auf die Lenkhandhabe 4 tordiert zunächst der Drehstab 12 und die Steuerbuchse 11 wird relativ zu dem Drehschieber 10 verdreht, wodurch ein Druckmittelfluß von dem Ventil 1 gesteuert wird und das Lenkmoment durch den hydraulischen Aktuator unterstützt wird.
Das Ritzel 13 ist innerhalb eines durch Stifte 19, die aus der Steuerbuchse 11 radial in schlitzförmige, in Umfangsrichtung verlaufende Aussparungen des Ritzels 13 ragen, definierten Bereiches, in begrenztem Umfang relativ zu der Steuerbuchse 11 verdrehbar. Eine Rückstelleinrichtung kann dazu dienen, bei nicht aktivierter Antriebseinrichtung 6 das Ritzel 13 relativ zu der Steuerbuchse 11 in eine Neutral- oder Mittellage zu bringen. Die Rückstelleinrichtung lässt sich auch durch piezoelektrische oder magnetostriktive Mikroschrittmotoren zwischen der Steuerbuchse 11 und dem Drehschieber 10 oder zwischen, mit dem Drehschieber 10 und der Steuerbuchse 11 verbundenen Bauteilen des Ventils 1, selbst ausführen, indem diese nicht bestromt werden.
Das Drehschieberventil 9 hat eine offene Mitte, d.h. alle Anschlüsse – Niederdruckanschluß, Hochdruckanschluß, Druckmittelleitungen zu den Arbeitsräumen des hydraulischen Aktuators – kommunizieren miteinander, wenn der Drehschieber 10 zu der Steuerbuchse 11 eine Mittellage einnimmt.
Um eine das Lenkmoment an der Lenkhandhabe 4 und die Sollwerteingabe des Fahrers an der Lenkhandhabe 4 in definierter Weise beeinflussende Betriebsweise des Ventils 1 zu ermöglichen – etwa um automatische Lenkfunktionen oder Fahrstabilisierungsfunktionen vorzusehen, ist vorgesehen, die hydraulische Mitte des Ventils 1 einstellbar zu gestalten. Eine Antriebseinrichtung 6, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem rotierenden Antrieb 8, der bevorzugt als elektrodynamischer Schrittmotor 7 ausgebildet ist, übernimmt dabei die Relativ-Verdrehung der Steuerbuchse 11 zu dem Ritzel 13 und damit zu dem Drehschieber 10 unabhängig von der Lenkmomenteingabe des Fahrers. Das Ritzel 13 ist dabei in der genannten Weise zwischen Anschlägen relativ zu der Steuerbuchse 11 verdrehbar. Zu diesem Zweck ist ein Stator 16 des Antriebsmotors 7 mit dem Ritzel 13 und ein Rotor 15 mit der Steuerbuchse 11 verbunden. Um den Antrieb der Antriebseinrichtung 6 noch kleiner bauend auszuführen, können piezoelektrische oder magnetostriktive oder sonstige geeignete Mirkoschrittmotoren direkt in dem Ventilgehäuse zwischen dem ersten und zweiten Steuerelement 2,3 angeordnet werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Ventil, insbesondere zur Bereitstellung eines gesteuerten Druckmittel-Druckes für eine hydraulische Servolenkung, mit einem ersten Steuerelement (2) und mit einem zweiten Steuerelement (3), wobei das erste und das zweite Steuerelement (2,3) unter Einfluß einer Sollwerteingabe an einer Lenkhandhabe (4) relativ zueinander bewegbar sind und mit einem Rückstellelement (5) in eine Neutrallage zueinander bringbar sind, und mit einer Antriebseinrichtung (6), mit der die Steuerelement (2,3) unabhängig von der Sollwerteingabe an der Lenkhandhabe (4) relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) einen koaxial zu dem Ventil (1) gebildeten elektrodynamischen Antrieb (7) und/oder einen elektrostatischen Schrittmotor aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) einen elektrodynamischen, rotierenden Antrieb (8) aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) einen elektrodynamischen Linearmotor, einen Gleichstrom-Linearmotor oder einen Wanderfeldmotor aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) einen elektrodynamischen Schrittmotor aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Mikroschrittmotor aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerelement (2) und das zweite Steuerelement (3) durch die Antriebseinrichtung (6) gegeneinander verdreht und/oder translatorisch bewegt sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebeweg des ersten Steuerelements (2) relativ zu dem zweiten Steuerelement (3) durch die Antriebseinrichtung (6) kleiner als der mögliche Verschiebeweg der Steuerelemente (2,3) durch die Sollwerteingabe an der Lenkhandhabe (4) ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebeweg der Steuerelemente (2,3) durch die Antriebseinrichtung (6) so begrenzt ist, dass durch die Sollwerteingabe an der Lenkhandhabe (4) noch mindestens die Hälfte des maximalen Druckmittel-Druckes ansteuerbar ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Drehschieberventil (9) ausgebildet ist und das erste Steuerelement (2) als Drehschieber (10) und das zweite Steuerelement (3) als Steuerbuchse (11) zueinander drehbeweglich ausgebildet sind, wobei der Drehschieber (10) über das als Drehstab (12) ausgebildete Rückstellelement (5) mit der Lenkhandhabe (4) drehfest verbunden ist und die Steuerbuchse (11) mit einem als Ritzel (13) ausgebildeten Abtriebsglied (14) des Ventils (1) verbunden ist, wobei die Steuerbuchse (11) in begrenzter Weise gegen das Abtriebsglied (14) durch die Antriebseinrichtung (6) verdrehbar ist.
Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (15) oder Stator (16) der Antriebseinrichtung (6) mit der Steuerbuchse (11) fest verbunden ist und ein Stator (16) oder Rotor (15) der Antriebseinrichtung (6) fest mit dem Abtriebsglied (14) oder Ritzel (13) verbunden ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) als Drehschieberventil (9) ausgebildet ist und das erste Steuerelement (2) als Drehschieber (10) und das zweite Steuerelement (3) als Steuerbuchse (11) zueinander drehbeweglich ausgebildet sind, wobei der Drehschieber (10) über das als Drehstab (12) ausgebildete Rückstellelement (5) mit der Lenkhandhabe (4) verbunden ist und durch die Antriebseinrichtung (6) der Drehstab (12) relativ zu dem Drehschieber (10) verdrehbar ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) als Drehschieberventil (9) ausgebildet ist und das erste Steuerelement (2) als Drehschieber (10) und das zweite Steuerelement (3) als Steuerbuchse (11) zueinander drehbeweglich ausgebildet sind, wobei der Drehschieber (10) über das als Drehstab (12) ausgebildete Rückstellelement (5) mit der Lenkhandhabe (4) verbunden ist und die Steuerbuchse (11) mit dem als Ritzel (13) ausgebildeten Abriebsglied (14) verdrehbar verbunden ist und durch die Antriebseinrichtung (6) das Ritzel (13) relativ zu dem Drehstab (12) verdrehbar ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) ein Getriebe aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) als Direktantrieb für die Steuerelemente (2,3) ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (6) gehäusefest mit dem Ventil (1) gebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (6) mit Teilen des Ventils (1) bewegbar ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) Teil einer hydraulischen Servolenkung eines Nutzfahrzeuges oder eines schweren Personenkraftwagens ist.