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Die
Erfindung betrifft ein hydraulisches Lenksystem, z. B. für
ein Fahrzeug. Das System umfasst eine Systempumpe, einen Lenkaktuator,
ein Drehventil, einen Messmotor und einen Motor. Die Systempumpe
liefert Flüssigkeit an den Lenkaktuator über das
Drehventil und über den Messmotor, und der Motor ist zur
Drehung des Drehventils und des Messmotors vorgesehen.
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Lenksysteme
der oben genannten Art können in Anwendungen verwendet
werden, die Zwei- oder Vierradlenkung von Fahrzeugen und Ruderlenkung
von Schiffen umfassen. Fahrzeuge, insbesondere Geländemaschinen
wie z. B. Radlader, Bagger, Bulldozer, Traktoren, Erntemaschinen
und ähnliche Hochleistungsmaschinen arbeiten oft mit hydraulischen
Lenksystemen. Typischerweise empfängt das Lenksystem eine
gewünschte Lenkeingabe, die eine gewünschte Winkelbewegung
des Fahrzeugs angibt. Die Lenkung kann manuell über einen
Lenkhandgriff, automa tisch, z. B. mit Hilfe eines Sensors, oder
ferngesteuert, z. B. über Satellit, erfolgen.
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Das
Lenksystem weist oft eine Lenkeinheit auf mit einem Drehventil und
einem Messmotor. Die Lenkeinheit ist typischerweise mit einem Lenkhandrad
des Fahrzeugs mechanisch verbunden. Wenn das Lenkhandrad gedreht
wird, wird eine Lenkflüssigkeit, z. B. Öl, von
der Lenksystempumpe über das Drehventil und den Messmotor
zu den Zylinderanschlüssen L oder R geleitet, abhängig
von der Richtung der Drehung. Der Messmotor misst den Öldurchfluss
zum Lenkzylinder im Verhältnis zur Winkeldrehung des Lenkhandrades. Der
Lenkzylinder wird mechanisch mit dem Lenkelement verbunden, typischerweise
den Vorderrädern des Fahrzeuges. Wenn die Ölversorgung
von der Lenkpumpe versagt oder zu klein ist, kann der Messmotor
als manuelle Lenkpumpe arbeiten. In diesem Fall wird die Lenkflüssigkeit
aus einem Tank gesaugt und auf Grund der manuellen Drehung des Lenkhandrades
zum Lenkzylinder gepumpt. Lenkeinheiten sind z. B. in
US 5,992,458 und
US 5,638,864 offenbart.
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Das
Drehventil hat eine neutrale Konfiguration und zwei Arbeitskonfigurationen
an gegenüberliegenden Seiten der Neutralkonfiguration.
Im Betrieb wird das Drehventil im Verhältnis zu einem Ventilgehäuse
gedreht. Auf Grund von Widerstand im Lenksystem bewirkt die Drehbewegung
des Drehventilkörpers im Verhältnis zum Gehäuse
auch die Bewegung des Ventilkörpers von der Neutralkonfiguration
in eine der Arbeitskonfigurationen, wobei ein Durchflusspfad von
der Systempumpe über den Messmotor zum Lenkaktuator geöffnet wird.
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Um
das Ausmaß der Verstellung des gelenkten Elementes zu regeln,
misst der Messmotor die Flüssigkeitsmenge, die momentan
von der Systempumpe zum Lenkaktuator geliefert wird. Der Messmotor
weist Kammern auf, die sich während der Drehung des Drehventils
und des Messmotors, erweitern und verkleinern, wobei die Flüssigkeit,
die zwischen der Systempumpe und dem Lenkaktuator fließt,
gemessen wird.
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Wie
schon gesagt, kann der Messmotor als manuell betätigte
Lenkpumpe verwendet werden, wenn die Ölversorgung von der
Lenkpumpe versagt oder zu klein ist. In diesem Fall verwendet der
Betreiber typischerweise das Lenkhandrad als Handgriff zur Drehung
des Messmotors, was unumgänglich den Lenkhandradwiderstand
wesentlich erhöht.
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Es
ist eine Aufgabe von Ausführungen der vorliegenden Erfindung,
bei einem Versagen ein Lenksystem mit verbesserten Betriebsmöglichkeiten
zu versehen. Nach einem ersten Aspekt wird dies mit einem System
erreicht, in dem der Motor so bemessen ist, dass er den Messmotor
als Pumpe zum Pumpen eines Durchflusses zum Lenkaktuator betreiben
kann, und zwar unter einem Druck, der für die Bewegung
des Aktuators bei einem Systempumpenversagen ausreicht.
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Da
der Motor so bemessen ist, dass er den Lenkdruck über den
Messmotor aufrecht erhalten kann, wenn der Messmotor als Systempumpe
betrieben wird, wird das Lenksystem auch bei einem Versagen der Systempumpe
betreibbar.
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Auf
Grund der erhöhten Sicherheit ist das Lenksystem nach der
Erfindung vorteilhaft, z. B. in einer Kombination mit „Steer-By-Wire„ Lenksystemen.
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Das
Drehventil kann eine Buchse mit einer Bohrung und einem inneren
Drehschieber aufweisen. Sowohl die Buchse als auch der Drehschieber
können drehbar im Ventilgehäuse gelagert sein,
und die Drehung kann über eine Kupplung bewirkt werden,
die aus dem Gehäuse vorsteht. In einem bekannten Ventiltyp
ist der Drehschieber mit der Kupplung und mit der Buchse verbunden.
Wenn die Kupplung gedreht wird, dreht der Drehschieber, und die
Buchse wird über eine Feder vom Drehschieber gedreht. Das
Drehventil und der Messmotor können in einer Lenkeinheit
kombiniert werden, z. B. von dem Typ, der im Stand der Technik wohlbekannt
ist. In solchen Einheiten können das Drehventil und der
Messmotor von einer gemeinsamen Kupplung oder Drehwelle betrieben
werden, so dass sie mit der gleichen Geschwindigkeit drehen.
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Der
Motor kann von jedem Typ sein, z. B. einem Wechselstrommotor mit
variabler Geschwindigkeitsregelung oder einem Gleichstrommotor von
der Art, die regelmäßig in Fahrzeugen für
verschiedene Zwecke verwendet werden. Da solche Motoren dazu neigen
weniger teuer zu sein, wenn sie bei hohen Drehzahlen optimal arbeiten,
kann ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis
zwischen dem Motor und dem Drehventil und dem Messmotor eingesetzt
werden, so dass die Motorwelle schneller dreht als die Wellen von
Drehventil und Messmotor. Vorzugsweise ist der Motor ein elektrischer
Motor mit variabler Drehzahl. Um die Sicherheit weiter zu erhöhen,
kann der Mo tor mehrere unabhängige oder teilweise unabhängige
Motorsysteme aufweisen, z. B. mehrere unabhängige Motoren
in Parallel- oder Serienschaltung, oder Motoren mit mehreren unabhängigen
Wicklungssätzen, oder Motoren mit unabhängigen
Stromversorgungen. Dadurch wird ein Motorversagen weniger kritisch,
da ein Versagen von einem der Systeme lediglich die maximal vorhandene
Motorleistung reduziert.
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Um
eine Lenkung des Fahrzeuges über elektronische Eingabemittel
zu ermöglichen, wie z. B. GPS Navigationsmittel, Joystick,
automatische Lenkmittel u. s. w., kann der Motor von einem Steuersystem
gesteuert werden. Das Steuersystem kann zum Betreiben des Motors
in einer solchen Weise vorgesehen sein, dass der Motor den Messmotor
und das Drehventil dreht, um einen Flüssigkeitsdurchfluss
zum Lenkaktuator zu bewirken, der einer Lenkeingabe entspricht,
die von dem Joystick, den automatischen Lenkmitteln u. s. w. erhalten
wird.
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Um
die Betriebscharakteristiken des Systems bei einem Versagen zu verbessern,
kann das Motorgerät mehrere Drehmomentgeräte aufweisen,
die entweder im gleichen Gehäuse oder separat angebracht
sind, um jederzeit eine Momenterzeugungsfähigkeit zu sichern.
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Das
typischerweise Verhältnis zwischen Drehschiebergröße
und Messmotorverstellung kann im Vergleich zu denen geändert
werden, die normalerweise für manuelle Lenkung in üblichen
Systemen verwendet werden. Dadurch kann der Motor mit höheren
Drehzahlen und niedrigeren Momentniveaus arbeiten als es bei üblichen
Systemen der Fall ist. In einer Ausführung ist das Lenksystem
so kon struiert, dass der Messmotor eine passende Flüssigkeitsmenge
unter einem passenden Druck liefert, wenn der Motor mit einer Geschwindigkeit
von 500–3000 Umdrehungen pro Minute dreht. In einer Ausführung
wird dies durch Einführung eines Übersetzungsverhältnisses
zwischen 2:1 und 20:1 zwischen dem Motor und dem Messmotor erreicht
und in einer anderen Ausführung wird der Messmotor direkt
vom Motor ohne Übersetzungsverhältnis betrieben.
Im letzteren Fall ist der Messmotor dafür konstruiert einen
angemessenen Durchfluss und Druck, und eine Drehzahl, die für
den Motor geeignet ist, z. B. zwischen 500 und 3000 Umdrehungen
pro Minute, zu liefern.
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Der
Motor kann den Messmotor mit einer maximalen Drehzahl drehen, bei
welcher Drehzahl der Messmotor einen Flüssigkeitsdurchfluss
liefert, der mindestens 50% der maximalen Kapazität der
Systempumpe entspricht. D. h., wenn der Motor mit seiner maximalen
Drehzahl/Momentrate dreht, kann der Lenkaktuator mit einer Geschwindigkeit
bewegt werden, die mindestens 50% der Geschwindigkeit beträgt,
die bei der Verwendung der Systempumpe erreichbar ist, wenn die
Systempumpe funktionsfähig ist.
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In
einem zweiten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb
eines Lenksystems im Falle eines Versagens, wobei das Lenksystem
eine Systempumpe, einen Lenkaktuator, ein Drehventil, einen Messmotor
und einen Motor aufweist, und wobei das Verfahren folgende Stufen
umfasst:
- – die Systempumpe zur Lieferung
eines Durchflusses von Flüssigkeit an den Lenkaktuator über
das Drehventil und über den Messmotor vorzusehen,
- – den Motor zur Erzeugung einer Drehung des Drehventils
und des Messmotors vorzusehen, und
- – den Messmotor als Pumpe zum Pumpen eines Durchflusses
an Flüssigkeit zum Lenkaktuator zu betreiben, in dem Fall,
wo die Systempumpe versagt.
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In
einem dritten Aspekt sieht die Erfindung ein Fahrzeug vor mit einem
Lenksystem, das eine Systempumpe, einen Lenkaktuator, ein Drehventil,
einen Messmotor und einen Motor aufweist, wobei die Systempumpe
dazu vorgesehen ist den Lenkaktuator über das Drehventil
und über den Messmotor mit einem Durchfluss einer Flüssigkeit
zu versorgen, und der Motor zur Drehung des Drehventils und des
Messmotors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor
bei einem Versagen der Systempumpe zum Betreiben des Messmotors
als Pumpe zum Pumpen eines Durchflusses zum Lenkaktuator vorgesehen
ist.
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In
einer Ausführung wird das Fahrzeug durch Drehen eines Lenkelementes
gelenkt, z. B. ein Drehen von Vorderrädern u. s. w. Die
Drehung wird von einem Lenkmoment verursacht, mit dem das Lenkelement
von dem Lenkaktuator beaufschlagt wird.
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Um
die Sicherheit weiter zu erhöhen, kann das Fahrzeug zwei
unabhängige elektrische Systeme aufweisen, eines, das die
Systempumpe mit Energie versorgt und eines, das den Motor mit Energie
versorgt. Alternativ kann die Systempumpe vom Hauptmotor des Fahrzeuges
angetrieben werden, z. B. über einen Riemenantrieb, und
der Motor, der das Drehventil und den Messmotor antreibt, könnte
von elektrischer Energie aus einer Batterie und/oder eines vom Motor
angetriebenen Generators angetrieben werden.
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Das
Verfahren und das Fahrzeug können andere Kennzeichen haben,
die im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben
worden sind.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung
unter Hinweis auf den Zeichnungen näher beschrieben. Die
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lenksystems nach der Erfindung, und
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2 eine
graphische Darstellung von Verhältnissen zwischen Umdrehungen
pro Minute und Moment eines Motors, der in einem Lenksystem nach
der Erfindung verwendet wird.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst ein Lenksystem 1 eine
Systempumpe 2, die mit einem Tank 3 verbunden ist,
aus dem eine Flüssigkeit zum Lenkaktuator 4 gepumpt
wird. Der Lenkaktuator kann, abhängig von der Anwendung
des Lenksystems, z. B. Vorderräder, ein Ruder u. s. w.
drehen. Die Systempumpe wird von einem 1500 Watt starken elektrischen
Motor A angetrieben, und der Auslass der Pumpe ist mit einer Lenkeinheit
B verbunden. Die Systempumpe könnte auch von einem Hauptmotor
des Fahrzeuges ange trieben werden, z. B. von einem Dieselmotor über
einen Riemenantrieb. Zusätzlich oder alternativ zur gezeigten
Systempumpe kann das System eine andere Systempumpe aufweisen, z.
B. eine Notsystempumpe, z. B. eine Pumpe, die von den Rädern
des Fahrzeuges angetrieben wird. Die Lenkeinheit B weist ein Drehventil
und einen Messmotor auf, die über eine gemeinsame Antriebswelle 5 von
einem 350 Watt starken elektrischen Motor C angetrieben werden.
Auf Grund der Drehung der Antriebswelle 5 bestimmt das
Drehventil, in welches der rechten und lenken Verbindungsrohre 6, 7 die
Hochdruckflüssigkeit zu leiten ist, und dadurch ob der
Kolben 8 aus dem Zylinder 9 hinaus oder in den
Zylinder 9 hinein zu bewegen ist. Das Drehventil öffnet
gleichzeitig eine Passage in dem anderen der rechten und linken
Verbindungsrohre 6, 7 zwischen der Lenkeinheit
und dem Tank zum Zurückleiten der Flüssigkeit
zum Tank. Das Lenksystem weist drei Überdruckventile 10, 11, 12 und
zwei Nachsaugventile 13, 14. Die Systempumpe und
der zugehörige 1500 Watt starke Motor A, und gegebenenfalls
auch die Lenkeinheit B mit dem 350 Watt starken Motor können
in einer einzigen Versorgungseinheit in einem einzigen Gehäuse
kombiniert werden. In der Tat kann das ganze Lenksystem in einer
einzigen Einheit kombiniert werden, die von einem Gehäuse
gebildet wird, das alle Systemkomponente und gegebenenfalls auch
einen Tank für die Lenkflüssigkeit aufweist. Dies
kann den Montagevorgang erleichtern.
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Im
Normalbetrieb erhält der elektrische Motor C ein Lenksignal,
das eine verhältnismäßig kleine Drehung
des Drehventils und des Messmotors angibt. Das Signal kann z. B.
auf Grund der Bewegung eines Joysticks oder eines Lenkhandrades
erzeugt werden, das einen elektrischen Sensor betreibt. Bei einem
Versagen erhält der elektrische Motor C ein Signal, das
eine verhältnismäßig große Drehung
von Drehventil und Messmotor anzeigt, um den Messmotor als Pumpe
zu betreiben. Um einen Wechsel zwischen zwei Betriebsweisen anzugeben,
kann das System einen Sensor aufweisen, der zur Angabe eines Versagens
der Systempumpe vorgesehen ist, z. B. einen Drucksensor.
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BEISPIEL:
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Das
folgende Beispiel zeigt ein Lenksystem für einen Gabelstapler. 2 zeigt
eine Drehmoment-Geschwindigkeits-Kurve für einen elektrischen
Motor eines Gabelstaplers und die folgenden Konstruktionsberechnungen
zeigen weitere Einzelheiten des Lenksystems für den Gabelstapler.
Das Lenksystem ist für ein Fahrzeug konstruiert, das über
einen hydraulischen Lenkaktuator, der die Vorderräder des
Fahrzeuges beaufschlagt, von einem Lenkhandrad gelenkt wird.
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In
diesem Lenksystem weist die Lenkeinheit einen Messmotor und ein
Drehventil auf, die auf einer gemeinsamen Welle drehen. Die gezeigte
Lenkeinheit wird als OSP bezeichnet, die eine handelsübliche
Lenkeinheit der Sauer-Danfoss ApS ist, vgl.
www.sauer-danfoss.com.
Der elektrische Motor kann jeder handelsüblicher elektrischer
Standardmotor sein.
| Verdrängung
= | 32 | cc/rev | Verdrängung
in Kubikzentimeter pro Umdrehung |
| Übersetzungsverhältnis des
Motors = | 10 | zu
1 | 10
Umdrehungen des Motors entsprechen einer Umdrehung des Messmotors |
| Max.
benötigter Durchfluss = | 8 | lpm | Liter
pro Minute |
| Benötigtes
Standardmoment = | 3 | Nm | Nm
ist der untenstehenden Tabelle entnommen und setzt voraus, dass höchstens
30 bar erforderlich sind |
| Benötigter
Notdurchfluss = | 4 | lpm | |
| Benötigtes
Notmoment = | 24 | Nm | |
| | Motorumdrehungen | OSP
Umdrehungen | OSP
Moment (Nm) | Motormoment (Nm) | Energie
(W) |
| Normale
Lenkung | 2500 | 250 | 3 | 0,3 | 78,5398 |
| Notlenkung | 1250 | 125 | 24 | 2,4 | 314,159 |
| | | | | | |
| | 500 | 50 | 66,84508 | 6,68451 | 350 |
| | 1250 | 125 | 26,73803 | 2,6738 | 350 |
| | 2000 | 200 | 16,71127 | 1,67113 | 350 |
| | 2750 | 275 | 12,15365 | 1,21537 | 350 |
| | 500 | 50 | 19,09859 | 1,90986 | 100 |
| | 1250 | 125 | 7,639427 | 0,76394 | 100 |
| | 2000 | 200 | 4,774648 | 0,47746 | 100 |
| | 2750 | 275 | 3,472471 | 0,34725 | 100 |
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Bei
Normalbetrieb, wo die Systempumpe einen passenden Flüssigkeitsdurchfluss
mit dem benötigten Druck liefert, wird das maximale Moment
am Lenkhandrad 2 Nm nicht übersteigen. Wenn der Flüssigkeitsdurchfluss
von der Systempumpe ausbleibt oder zu klein ist, arbeitet die Lenkeinheit
als manuelle Lenkpumpe. Manuelle Lenkung kann nur für eine
begrenzte Steuerung des Fahrzeuges verwendet werden, wenn der Druck von
der Systempumpe plötzlich abfällt. Die unten gezeigte
Tabelle zeigt den manuellen Lenkdruck P
m für
alle Größen von Sauer-Danfoss Lenkeinheiten vom
Typ OSPM bei einem Lenkhandradmoment von 80 Nm. Die Werte gelten
nur, wenn die Saugbedingungen an der Lenkeinheit-Tankverbindung
in Ordnung sind.
| OSPM | 32 | 40 | 50 | 63 | 80 | 100 |
| Pm bar | 100 | 90 | 80 | 60 | 50 | 40 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5992458 [0003]
- - US 5638864 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.sauer-danfoss.com [0027]