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Die
Erfindung betrifft ein Servolenksystem mit einem Drehschieberventil,
das ein Gehäuse
aufweist, eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle, die relativ
zueinander begrenzt verdrehbar sind, einen Zentrierkolben, der drehfest
und in axialer Richtung verschiebbar mit der Eingangswelle verbunden ist
und im Gehäuse
eine Druckkammer abgrenzt, und einen Zentrierring, der drehfest
mit der Ausgangswelle verbunden ist, wobei die Druckkammer einen
Zulauf und einen gesteuerten Ablauf aufweist.
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Stand der Technik
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Ein
Servolenksystem ohne gesteuerten Ablauf ist aus der
EP 0 551 619 B1 bekannt.
Der Zentrierkolben dient dazu, eine Mittenzentrierung oder Rückstellkraft
bereitzustellen, also die Eingangswelle und die Ausgangswelle relativ
zueinander in eine Neutralstellung zu beaufschlagen, in der keine
Servounterstützung
bereitgestellt wird. Bei der bekannten Konstruktion wird der Zentrierkolben
von einer Druckfeder gegen den Zentrierring beaufschlagt. Somit
erzeugt der Zentrierkolben, wenn auf ihn keine weiteren Druckkräfte einwirken,
eine von der Federbeaufschlagung abhängige, feste Mittenzentrierung. Wenn
eine stärkere
Mittenzentrierung gewünscht wird,
beispielsweise bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, wird der Druckraum
mit Druck beaufschlagt, so daß eine
stärkere
Zentrierwirkung erzielt wird. Diese stärkere Zentrierwirkung hat zur
Folge, daß auf
das mit der Eingangswelle verbundene Lenkrad ein höheres Drehmoment
aufgebracht werden muß,
um eine bestimmte Verdrehung zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle
und somit des Drehschieberventils zu erhalten. Wenn umgekehrt ein
besonders geringes Lenkmoment wünschenswert
ist, um eine vorbestimmte Servounterstützung zu erzeugen, beispielsweise
beim Einparken des Fahrzeugs im Stillstand, ist bei der bekannten
Konstruktion vorgesehen, die dem Druckraum gegenüberliegende Seite des Zentrierkolbens
mit Druck zu beaufschlagen, um eine der Federkraft entgegenwirkende
Kraft zu erzeugen.
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Aus
der
DE 695 09 569
T2 ist ein gattungsgemäßes Servolenksystem
bekannt, bei dem die Rückführung des
Hydrauliköls
mit Hilfe einer Steuereinheit geschwindigkeitsabhängig eingestellt
wird.
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In
der
DE 42 20 624 A1 ist
ein Drehschieberventil für
eine Servolenkung gezeigt, bei dem der Durchfluß durch eine Zuleitung mit
einem Magnetventil gesteuert wird.
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Ein
Lenkventil mit einem Reaktionskolben, der mittels eines Metallfaltenbalgs
drehfest und axial verschieblich mit der Eingangswelle des Ventils
verbunden ist, ist aus der
DE
44 04 535 A1 bekannt.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Servolenksystem der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei einem einfacheren mechanischen
Aufbau eine in weiten Bereichen beliebige Zentrierwirkung hervorgerufen
werden kann.
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Zu
diesem Zweck ist erfindungsgemäß bei einem
Servolenksystem der eingangs genannten Art vorgesehen, daß der Ablauf
der Druckkammer mit einem Abschneideventil vorgesehen ist, welches
den Ablauf erst ab einer ersten Druckschwelle öffnet, die größer als
Null ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion
ermöglicht,
den Druck in der Druckkammer so zu steuern, daß auf die Feder verzichtet
werden kann, die bei der bekannten Konstruktion den Zentrierkolben
gegen den Zentrierring gedrückt
hat; durch Verschließen
des Ablaufs aus der Druckkammer kann nämlich der Druck in der Druckkammer
auf einem solchen Mindestdruck gehalten werden, daß die bisher
auf mechanischem Wege bereitgestellte Grundvorspannung zwischen
Zentrierkolben und Zentrierring nun auf hydraulischem Wege bereitgestellt
wird. Diese Grundvorspannung ist vorzugsweise so gering gewählt, daß auf die
bei der bekannten Konstruktion vorgesehene Druckbeaufschlagung der
Rückseite des
Zentrierkolbens verzichtet werden kann.
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Es
kann allenfalls erforderlich sein, anstelle der bei der bekannten
Konstruktion vorgesehenen Druckfeder eine Hilfsfeder vorzusehen,
die im drucklosen Zustand des Servolenkungssystems eine definierte
Anordnung des Zentrierkolbens relativ zum Zentrierring gewährleistet,
jedoch so schwach dimensioniert ist, daß ihr Beitrag zur Zentrierwirkung vernachlässigbar
ist.
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Das
Abschneideventil kann ein Ventilelement aufweisen, das von einer
Feder gegen einen Ventilsitz gedrückt wird, wobei das Ventilelement stromabwärts von
dem Ventilsitz in einer Führung
geführt
ist, wobei zwischen dem Ventilelement und der Führung ein Kanal mit definiertem
Querschnitt ausgebildet ist und wobei das Ventilelement so angebracht
ist, daß es
aus der Führung
herausgedrückt werden
kann. Solange in der Druckkammer ein Druck vorliegt, der kleiner
als die erste Druckschwelle ist, liegt das Ventilelement des Abschneideventils
am Ventilsitz an; der Ablauf aus der Druckkammer ist geschlossen.
Nach Überschreiten
der ersten Druckschwelle wird das Ventilelement von seinem Ventilsitz
abgehoben, so daß ein
Ablauf aus der Druckkammer durch den Kanal mit definiertem Querschnitt möglich ist.
Auf diese Weise wird der Druck in der Druckkammer auf einem Niveau
gehalten, das über einen
großen
Durchflußbereich
annähernd
konstant ist. Erst wenn der Druck in der Druckkammer eine zweite
Druckschwelle überschreitet,
wird das Ventilelement so weit verschoben, daß es aus der Führung austritt.
In diesem Zustand ist der Abfluß aus
der Druckkammer nicht mehr nur durch den Kanal mit definiertem Querschnitt
möglich,
sondern durch einen sehr viel größeren Querschnitt
im Bereich der Führung.
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Vorzugsweise
ist der Zulauf zur Druckkammer mit einem Durchfluß- oder
Druckregelventil versehen. Auf diese Weise kann von dem von einer
Hydraulikpumpe zur Servounterstützung
bereitgestellten Hydraulikstrom ein Teil abgezweigt werden, der dann
direkt zur Beaufschlagung der Druckkammer dient.
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Wenn
in der Druckkammer keine Feder angeordnet ist, kann der Zentrierkolben
mit der Eingangswelle durch einen Metallfaltenbalg verbunden werden.
Ein Metallfaltenbalg stellt eine sehr einfache und kostengünstige Lösung dar,
um den Zentrierkolben drehfest, jedoch in axialer Richtung verschiebbar mit
der Eingangswelle zu verbinden. Der Metallfaltenbalg kann aufgrund
seiner Federwirkung und Vorspannung als Hilfsfeder wirken.
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Vorzugsweise
ist der Zentrierring mit einer Preßpassung an einer Ventilhülse befestigt,
die mit der Ausgangswelle verbunden ist. Dies ermöglicht, den
Zentrierring mit minimalem Aufwand sicher und zuverlässig in
einer beliebigen Stellung, die einer korrekten Mittelstellung des
Drehschieberventils entspricht, fest mit der Ventilhülse zu verbinden.
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Zur
Lösung
der oben genannten Aufgabe ist auch ein Verfahren zum Betreiben
eines Servolenksystems vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß der
Zentrierkolben gegen den Zentrierring beaufschlagt wird von einer
Kraft, die im wesentlichen resultiert aus der Differenz zwischen
dem Druck im Druckraum und dem Rücklaufdruck
auf der den Zentrierkugeln zugewandten Seite des Zentrierkolbens,
wobei das Abschneideventil den Ablauf aus dem Druckraum erst öffnet, wenn
der Druck im Druckraum eine erste Druckschwelle überschreitet. Diese erste Druckschwelle
kann etwa ein Bar betragen. Vorzugsweise ist der Zentrierkolben
so ausgelegt, daß bei
dieser Druckdifferenz von etwa einem Bar, die zwischen der Druckkammer
und der Rückseite
des Zentrierkolbens anliegt, ein Drehmoment von etwa 0,85 Nm zwischen
Zentrierkolben und Zentrierring erzielt wird. Dieses Drehmoment
entspricht etwa demjenigen, das bei einem herkömmlichen System aufgrund der
mechanischen Federbeaufschlagung des Zentrierkolbens erzielt wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspüchen.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 eine
schematische, teilgeschnittene Ansicht eines Servolenksystems;
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2 eine
Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drehschieberventils;
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3 eine
Schnittansicht eines bei dem Drehschieberventil von 2 verwendeten
Abschneideventils; und
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4 ein
Diagramm der Kennlinie des in 3 gezeigten
Abschneideventils;
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5 eine
Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines bei dem Drehschieberventil von 2 verwendeten
Abschneideventils.
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In 1 ist
ein Servolenksystem 1 gezeigt, das an einer mechanischen
Zahnstangenlenkung 2 angebracht ist. Das Servolenksystem
wird von einer in der Figur nicht dargestellten Pumpe mit einem
Hydraulikfluid versorgt und dient dazu, das zur Betätigung der
Zahnstangenlenkung erforderliche Drehmoment dadurch zu verringern,
daß eine
Servounterstützung
bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck ist ein Servozylinder 3 vorgesehen,
dessen Kolbenstange mit Spurstangen verbunden ist, die mit den lenkbaren Rädern eines
Fahrzeugs verbunden sind.
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Der
Servozylinder 3 ist von herkömmlichem Aufbau und weist zwei
Kammern auf, die über
Hydraulikleitungen 11, 12 selektiv mit dem Hydraulikfluid
beaufschlagt werden können.
Hierzu wird ein Drehschieberventil 9 verwendet, das eine
Eingangswelle 8 sowie eine Ausgangswelle 10 aufweist.
Die Eingangswelle 8 ist üblicherweise mit einem (nicht dargestellten)
Fahrzeuglenkrad verbunden, und die Ausgangswelle 10 weist
ein Ritzel auf, das in die Zahnstange der Zahnstangenlenkung eingreift.
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Im
Inneren der Eingangswelle 8 ist ein Torsionsstab 14 (siehe 2)
angeordnet, der an einem Ende drehfest mit der Eingangswelle 8 und
am anderen Ende drehfest mit der Ausgangswelle 10 verbunden
ist. Weiterhin sind die Eingangswelle 8 und die Ausgangswelle 10 durch
eine in 2 nicht sichtbare Klauenkupplung mit Spiel so
miteinander verbunden, daß sie
relativ zueinander um einen vorbestimmten Winkel verdreht werden
können,
der in der Größenordnung
von 3 bis 4 Grad liegt. Bei einer solchen Verdrehung wird der Torsionsstab 14 tordiert,
so daß ein Rückstellmoment
erzeugt wird, welches die Eingangswelle 8 und die Ausgangswelle 10 in
ihre Ausgangsstellung zurückzustellen
sucht.
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Stand der Technik
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Zur
Verteilung des Hydraulikfluids auf die Kammern des Servozylinders
ist das Drehschieberventil mit einer Ventilhülse
16 versehen, die
fest mit der Ausgangswelle
10 verbunden ist. Wenn die Eingangswelle
8 und
die Ausgangswelle
10 relativ zueinander nicht verdreht
sind, wird keine der beiden Kammern des Servozylinders mit Hydraulikfluid
beaufschlagt. Wenn dagegen die Eingangswelle
8 relativ zur
Ausgangswelle
10 verdreht wird, wird eine der beiden Kammern
des Servozylinders stärker
mit Hydraulikfluid beaufschlagt, so daß eine Servounterstützung erzeugt
wird. Die grundsätzliche
Funktionsweise des bis hier beschriebenen Drehschieberventils ist
aus dem Stand der Technik gut bekannt, beispielsweise aus der eingangs
genannten
EP 0 551 619
B1 .
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Um
das Drehmoment variieren zu können, das
für eine
Verdrehung der Eingangswelle 8 relativ zur Ausgangswelle 10 erforderlich
ist und dem aufzubringenden Lenkdrehmoment entspricht, ist eine Zentriervorrichtung
vorgesehen, die im wesentlichen aus einem Zentrierkolben 20,
einem Zentrierring 22 und mehreren zwischen Zentrierkolben
und Zentrierring angeordneten Kugeln 24 besteht. Der Zentrierring 22 ist
mittels eines Preßsitzes
fest in einem Absatz 26 der Ventilhülse 16 aufgenommen
und auf diese Weise drehfest mit der Ausgangswelle 10 verbunden.
Der Zentrierkolben 20 ist drehfest mit der Eingangswelle 8 durch
mehrere Koppelkugeln 28 verbunden, die in Nuten in der
Eingangswelle 8 und im Zentrierkolben eingreifen und auf
diese Weise den Zentrierkolben 20 drehfest, jedoch in axialer
Richtung verschiebbar mit der Eingangswelle 8 verbinden.
Die Zentrierkugeln 24 sind zwischen V-förmigen Nuten im Zentrierkolben 20 und
im Zentrierring 22 angeordnet. Der Zentrierkolben 20 und
der Zentrierring 22 sind dabei relativ zueinander in Umfangsrichtung
so ausgerichtet, daß die
Zentrierkugeln am Boden der Nut anliegen, wenn sich die Eingangswelle und
die Ausgangswelle relativ zueinander in der Ausgangsstellung befinden.
Wenn die Eingangswelle und die Ausgangswelle und somit der Zentrierkolben und
der Zentrierring gegeneinander verdreht werden, drücken die
Zentrierkugeln den Zentrierkolben vom Zentrierring weg, da sie auf
den dann als Rampenflächen
wirkenden Seiten der V-Nuten laufen.
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Der
Zentrierkolben 20 ist mit einer Dichtung 30 versehen,
so daß im
Gehäuse
des Drehschieberventils 9 ein Druckraum 32 abgegrenzt
ist. Dieser ist mit einem Zulauf 34 versehen, in welchem
ein Durchfluß-
oder Druckregelventil 36 angeordnet ist. Dieses Ventil
dient dazu, von dem von der Hydraulikpumpe bereitgestellten Hydraulikfluid
einen Teil abzuzweigen, wobei der von der Pumpe bereitgestellte
Systemdruck auf einen geeigneten Wert verringert werden muß.
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Der
Druckraum 32 ist mit einem Ablauf 38 versehen,
in welchem ein Abschneideventil 40 (siehe auch 3)
angeordnet ist. Das Abschneideventil weist ein Ventilelement 42 auf,
das von einer Feder 44 gegen einen Ventilsitz 46 gedrückt wird.
Das Ventilelement 42 ist in einer Führung 48 angeordnet
und weist einen mit der Führung überlappenden
Kanal 50 auf. Der Kanal 50 liegt stromabwärts vom
Ventilsitz 46.
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Das
Abschneideventil dient dazu, beim Betrieb des Servolenksystems einen
bestimmten Mindestdruck im Druckraum 32 aufrechtzuerhalten.
Dieser Druck wird vorgegeben von der Feder 44 und dem Querschnitt
des Ventilsitzes 46 und ist so eingestellt, daß eine erste
Druckschwelle in der Größenordnung
von etwa einem Bar eingestellt ist. Unterhalb dieses Drucks ist
das Fluid im Druckraum 32 nicht in der Lage, das Ventilelement 42 vom
Ventilsitz 46 abzuheben; der Ablauf 38 aus dem
Druckraum 32 bleibt somit geschlossen. Erst wenn die erste
Druckschwelle überschritten
wird, hebt das Ventilelement 42 vom Ventilsitz 46 ab,
und das Fluid kann aus dem Druckraum 32 durch den Ventilsitz 46 und
den Kanal 50 austreten, wobei es dann von einer Rückführleitung 52 zu
einem Sammeltank geführt
wird. Diese Konstruktion ermöglicht,
im Druckraum 32 auch bei vergleichsweise großem Anstieg
des Durchsatzes nur eine vergleichsweise geringe Druckänderung
zu erhalten. Dies ist in 4 zu sehen, in der das Verhältnis von
Durchsatz Q und Druck P in der Druckkammer mit durchgezogener Linie
aufgetragen ist. Gestrichelt ist der zugehörige Pumpendruck angegeben.
Wenn in der Druckkammer ein vorbestimmter Druck überschritten wird, der eine
zweite Druckschwelle bildet und in der Größenordnung von etwa 5 Bar liegt,
wird ein weiterer Druckanstieg unabhängig vom Anstieg des Pumpendrucks
verhindert. Dies wird dadurch erzielt, daß das Ventilelement 42 soweit bezüglich 3 nach
rechts verschoben wird, daß der
vorher in der Führung 48 aufgenommene
zylindrische Abschnitt 51 des Ventilelementes aus der Führung austritt,
so daß der
Durchsatz durch das Abschneideventil nicht mehr vom Querschnitt
des Kanals 50 begrenzt ist.
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Durch
diese Konstruktion ergibt sich auch bei der Mittellage der Servolenkung
ein ausreichender Druck im Druckraum 32, so daß vom Zentrierkolben 20 und
dem Zentrierring 22 eine Mittenzentrierung bereitgestellt
wird. Hierzu ist keine Feder erforderlich, die den Zentrierkolben 20 beaufschlagt.
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Da
es die beschriebene Gestaltung ermöglicht, auf die Feder zu verzichten,
die bei herkömmlichen
Konstruktionen den Druckkolben beaufschlagt, kann abweichend von
der gezeigten Ausführungsform
anstelle der Koppelkugeln nunmehr ein Metallfaltenbalg verwendet
werden, um den Zentrierkolben drehfest, jedoch gegen eine geringe
Vorspannkraft axial verschiebbar mit der Eingangswelle 8 zu
verbinden.
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In 5 ist
ein Abschneideventil gemäß einer
alternativen Ausführungsform
gezeigt. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten
Ventil ist bei der alternativen Ausführungsform das Ventilelement
als Ventilhülse 42 ausgeführt, die
in einer Führung 48 geführt ist
und von einer Feder 44 gegen einen Ventilsitz 46 gedrückt wird.
Der Ventilsitz ist hier als Kegelfläche 60 auf einem Ventilkegel 62 ausgebildet,
der verstellbar im Gehäuse 64 angebracht
ist. Zur Einstellung des Abschneideventils ist eine Einstellschraube 66 vorgesehen,
die über
ein Axialgleitlager 68 auf den Ventilkegel 62 einwirkt.
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Der
von Abschneideventil vorgegebene Mindestdruck wird mittels der Einstellschraube 66 vorgegeben,
welche die Vorspannung der Feder 44 bestimmt. Wenn der
Mindestdruck überschritten
wird, hebt die Ventilhülse 42 vom
Ventilsitz ab, und Fluid kann aus dem Druckraum 32 abfließen. Ein
besonderer Vorteil des in 5 gezeigten
Abschneideventils liegt darin, daß seine Kennlinie vergleichsweise
unempfindlich gegen Verunreinigungen ist. Wenn sich zwischen Ventilhülse und
Ventilsitz ein Schmutzpartikel festsetzt (hier angedeutet als Partikel
P), verengt sich der Querschnitt zwischen Ventilhülse und
Ventilsitz. Dies führt
zu einer Druckerhöhung
stromaufwärts
des Ventilsitzes, so daß die
Ventilhülse
weiter entgegen der Wirkung der Feder 44 nach rechts verstellt
wird. Dies vergrößert den
Spalt zwischen Ventilsitz und Ventilhülse, so daß entweder wieder die Kennlienie
erreicht wird, die vor dem Festsetzen des Schmutzpartikels vorlag,
oder der Schmutzpartikel durch den vergrößerten Ventilspalt abgeführt werden kann,
so daß sich
dann die vorherigen Verhältnisse wieder
einstellen.