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Automatisches Zu schaltventil Die Erfindung betrifft ein automatisches
Zuschaltventil für Hydrauliksysteme, insbesondere für hydraulische lenkeinrichtungen
von Kraftfahrzeugen, mit Anschlüssen für eine Hauptpumpe, eine Reservepumpe, einen
Verbrau.cher und einen Rücklauf.
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Aufgabe eines solchen automatischen Zuschaltventils ist es, das sichere
Funktionieren eines Hydrauliksystems, insbesondere einer hydraulischen Lenkeinrichtung,
dadurch zu gewährleisten, daß bei Ausfall der motorgetriebenen Hauptpumpe automatisch
eine von einer Fahrzeugachse getriebene Reservepumpe zugeschaltet wird um die Lenkbarkeit
des Fahrzeuges zu erhalten.
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Bei den bekannten Zuschaltventilen wird der Ventilkolben auf der
einen Stirnseite vom Zulaufdruck der Hauptpumpe, auf der anderen Stirnseite vom
Rücklaufdru.ck und einer zusätzlichen Federkraft beaufschlagt, so daß bei Ausfall
der Hauptpumpe die Feder den Ventilkolben in die Zuschaltstellung verschiebt, wodurch
die zuvor in den Rücklauf fördernde Reservepumpe auf den Verbraucher umgeschaltet
wird.
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Als nachteilig wirken sich jedoch bei den bekannten Zuschaltventilen
die verhältnismäßig langen Druckausfallzeiten aus, die besonders bei hydraulischen
Lenkeinrichtungen nicht tragbar sind. Diese Druckausfallzeiten, gleichbedeutend
mit Schaltzeiten, kommen dadurch zustande, daß bei einem Ausfall der Hauptpumpe
die zwischen dieser und dem Verbraucher befindlichen Leitungen als Druckspeicher
wirken, wobei vorausgesetzt wird, daß bei dichter Hauptpumpe und dichtem Verbraucher
auch Lufteinschüsse bzw. dehnbare Schlauchleitungen im Hydrauliksystem vorhanden
sind. Dieser Druckspeicher muß nun über eine Drossel soweit entlastet werden, bis
der im Druckspeicher herrschende Druck gleich oder kleiner ist als der Rücklaufdruck
vermehrt um die Kraft der Feder dividiert durch die Kolben fläche. Erst wenn diese
Bedingung erfüllt ist, kann das federseitige Rückschalten des Ventilkolbens einsetzen.
Der im Leitungssystem des Hauptpumpenkreises anstehende Druck wird durch eine ständige,
gedrosselte Verbindung zwischen Hauptpumpenkreis und Rücklauf abgebaut. Einer Vergrößerung
des Drosselquerschnitts um die Schaltzeit zu verkürzen steht die damit verbundene
Erhöhung eines Verluststromes entgegen, der dauernd von der Hauptpumpe in den Rücklauf
gefördert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Zuschaltventil derart auszubilden,
daß einerseits der Verluststrom im normalen Hauptpumpenbetrieb auch bei hohen DrUcken
gering ist, daß aber andererseits bei Ausfall der Hauptpumpe ein rascher bldurchfluß
vom Hauptpumpenanschluß zum Rücklauf ermöglicht wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß für die schnelle Entlastung des
bei Ausfall der Hauptpumpe als Druckspeicher wirkenden Hauptstromkreis es ein über
axiale Bohrungen im Ventilkolben von der Hauptpumpe über den Federraum zum Rücklauf
fließender Verluststrom mittels besonderer, als aufsteuerbare Drossel wirkenden
Steuerkanten abgeregelt wird, wobei an der zum Federraum führenden axialen Bohrung
im Ventilkolben eine Einrichtung zur Erzeugung eines Druckgefälles vorgesehen ist,
das ca. 2 atü beträgt und das der mittleren Kraft der Feder, dividiert durch die
Querschnittfläche des Ventilkolbens, entspricht.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die Sinrichtung
aus einer-Drossel an der durchgehenden axialen Bohrung des Ventilkolbens besteht,
bzw. daß die Einrichtung aus einer schrägverlaufenden Bohrung besteht, die die nicht
durchgehende axiale Bohrung des Ventilkolbens senkrecht an eine Stelle mit hoher
Strömungsgeschwindigkeit in der zum Hauptstromkreis gehörenden Ringnut anschtießt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung mit zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt in: Fig. 1 ein bekanntes Zuschaltventil, in Fig.
2 ein erfindungsgemäßes Ausfuhrungsbeispiel mit einer Drossel und in Fig. 3 ein
weiteres Äusführungsbeispiel mit einem Zweigkanal.
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Das in Fig. 1 gezeigte bekannte Zuschaltventil besteht aus einem
Gehäuse 1 mit einem Anschluß 2 für eine Hauptpumpe, einen Anschluß 3 für einen Verbraucher,
einen Anschluß 4 für eine Reservepumpe und mit einem Anschluß 5 für den Rücklauf.
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Der Anschluß 2 geht in eine Bohrung 6 über, in der ein Ventilkolben
7 axial verschiebbar gelagert ist. Der Anschluß 3 führt zu einer Steuernut 8, der
Anschluß 4 zu einer Steuernut 9 und der Anschluß 5 zu einer Steuernut 10 im Gehäuse
1. Die Bewegung desVentilkolbens 7'gegen den Anschluß 2 wird durch einen Sicherungsring
II begrenzt, während die Bohrung 6 an dem enge gegengesetzten Ende von einer Schraube
12 verschlossen und mit einem Dichtring 13 abgedichtet ist. Die Schraube 12 dient
zum Abstützen einer Feder 15, die in einem Federraum 16 des Ventilkolbens 7 hineinragt.
Die Feder 15 hat die Aufgabe bei Ausfall der Hauptpumpe den Ventilkolben 7 nach
rechts bis zum Sicherungsring 11 zu verstellen, wodurch der Anschluß 3 vbm Anschluß
2 getrennt und mit dem Anschluß 4 verbunden wird.
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Der Ventilkolben 7 weist drei Ringnuten 17, 18 und 19 auf, wobei
die Ringnut 17 über drei radiale Bohrungen 20 mit einer weiten axialen Bohrung 21
und die Ringnut 19 über eine große Drossel 22 mit einer engen axialen Bohrung 23
verbunden ist.
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Die axialen Bohrungen 21 und 23 sind mit dem Anschluß 2 verbunden.
Von der Bohrung 27 führt eine kleine Drossel 24 zu einer parallelen Bohrung 25,
die mit dem Federraum 16 verbunden ist.
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Außerdem ist die Bohrung 25 über eine radiale Bohrung 26 ständig
an
die Steuernut 10 angeschlossen. Die Steuernuten 8, 9 und 10 des Gehäuses 1 bilden
mit den Ringnuten 17,'18 und 19 des Ventilkolbens 7 die Steuerkanten A1, B1, Ci
und D1.
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Dieses bekannte, in Fig. 1 gezeigte Zuschaltventil funktioniert folgendermaßen:
Solange die Hauptpumpe im Hauptstromkreis einen Hauptstrom zum Verbraucher fördert,
bleibt der Ventilkolben 7 nach links bis zum Anschlag an der Schraube 12 verstellt.
Hierbei sind die Steuerkanten A und C1 geöffnet, die Steuerkanten B1 und D1 geschlossen,
so daß der Hauptstrom vom Anschluß 2 zum Anschluß 3 und der Reservestrom vom Anschluß
4 zum Anschluß 5 fließt. Gleichzeitig fließt durch die Bohrung 23, die kleine Drossel
24 und die Bohrung 26 ein Verluststrom in den Rücklauf, dessen Größe von der Drossel
24 abhängig ist, während der Federraum 16 über die Bohrungen 25, und 26 mit dem
Rücklauf verbunden ist. Durch die kleine Drossel 24 wird ein hoher Verluststrom
vermieden; andererseits -verlängert sich die Schaltzeit für das federseitige Rückschalten
des Ventilkolbens 7, die dadurch bedingt ist, daß bei Ausfall der Hauptpumpe die
im Hauptstromkreis liegenden Schlauchleitungen mit eventuellen Lufteinschüssen bei
dichtem Verbraucher und dichter Hauptpumpe solange als Druckspeicher wirken, bis
der Druck im Hauptstromkreis durch den Druckabfall an der Drossel 24 kleiner geworden
ist als der Rücklaufdruck zuzüglich dem Druck, den die Kraft der Feder 15 auf die
Kolbenfläche ausübt. Dann erst wird der Ventilkolben 7 nach rechts bis-zum Sicherungsring
11 verstellt, wobei
die Endphase in dem Maße schneller durchlaufen
wird, wie die große Drossel 22 über die öffnenden Steuerkanten D1 an den RUcklauf
angeschlossen wird. Da das Zuschaltventil als Sicherheitventil eingebaut wird und
nach Ausfall der Hauptpumpe so rasch wie möglich die Reservepumpe auf den Verbraucher
(Lenkung) schalten soll, ist die Wirksamkeit dieser Sicherung von der Schaltzeit
des Ventils abhängig. Einer Vergrößerung der Drossel 24, die den Schaltvorgang beschleunigen
würde, steht der steigende Verluststrom entgegen.
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Die Lösung der Aufgabe, nämlich kürzere Schaltzeiten ohne Erhöhung
des Verluststromes zu. erhalten, zeigen die erfindungsgemäßen Ausführungen nach
Fig. 2 und 3, deren Gehäuse die gleiche Beschaffenheit und damit auch die gleichen
Bezugszeichen wie in Sig. 1 aufweisen. So ist in Fig. 2 in der Bohrung 6 des Gehäuses
1 ein Ventilkolben 27 axial verschiebbar gelagert, der drei Ringnuten 28, 29 und
30 besitzt, die mit den Steuernuten 8, 9 und 10 die Steuerkanten A2, B2, C2 und
D2 bilden. Die Ringnut 28 ist über drei radiale Bohrungen 31 mit einer weiten axialen
Bohrung 32, die zum Anschluß 2 führt, verbunden. Koaxial zur Bohrung 32 erstreckt-
sich eine enge Bohrung 33 durch den Ventilkolben 27, an deren Einmündung zum Federraum
16 eine weite Drossel 34 angeordnet ist. Von dem Federraum 16 führt eine parallele
Bohrung 35 über eine radiale Bohrung 36 zur Ringnut 30. Im Gegensatz zu der bekannten
Ausführung nach Fig. 1, bei der der Federraum 16 dauernd mit dem Rücklaufdruck beaufschlagt'
wird, ist der Federraum 16 nach Fig. 2 nur dann voll an den
Rücklauf
angeschlossen, wenn der Ventilkolben 27 bei Ausfall der Hauptpumpe sich in Anlage
am Sicherungsring 11 befindet.
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Bei einsetzendem Hauptstrom und einem Druckaufbau entsprechend dem
Verbraucherwiderstand wird der Ventilkolben 27 soweit nach links gegen die Kraft
der Feder 15 und dem im Federraum 16 herrschenden Druck verstellt, daß einerseits
der Hauptstrom frei zum Verbraucher fließen kann und der Reservestrom auf den Rücklauf
geschaltet ist, wobei die Steuerkanten A2 und C2 geöffnet und die Steuerkanten 32
geschlossen sind, und dáß andererseits der von der Hauptstrompumpe über die Bohrung
33, die Drossel 34 und die Bohrung 35 in die Ringnut 30 fließende Verluststrom durch
die Steuerkanten D2 auf eine solche Größe abgeregelt wird, daß an der Drossel 34
ein Druckabfall von der Größe der Kraft der Feder 15 dividiert durch die Kolbenfläche
entsteht. Dieser Druckabfall beträgt ca. 2 atü. Voraussetzung hierfür ist die freie
Bewegbarkeit des Ventilkolbens 27, d. h. dieser darf am federseitigen Ende nicht
gegen einen Anschlag fahren. Der Druck im Federraum 16 wird durch die als veränderliche
Drossel wirkenden Steuerkanten D2 automatisch gegenüber dem Rücklaufdruck von cae
4 atü auf einen Wert abgeregelt, der ca. 2 atü unter dem Druck im Hauptstromkreises
liegt. Mit anderen Worten: Der Ventilkolben 27 ist im Gleichgewicht, wenn der Druck
im Hauptstromkreis gleich ist dem Druck im Federraum 16 vermehrt um die Kraft der
Feder 15, dividiert durch die Kolbenfläche. Bedingt durch das kleine Druckgefälle,von
ca. 2 atü an der Drossel 34, kann deren Durchmesser verhältnismäßig groß gewillt
werden, ohne daß
der Verlustatrom unzulässig erhöht wird. Da sich
die Lage des Ventilkolbens 27 unter dem Einfluß des Druckes im Hauptstromkreis und
im Federraum 16 nur wenig ändert, bleibt die Kraft der Feder 15 auf den Ventilkolben
27 und damit die Größe des Verluststromes nahezu konstant.
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Die Schalt zeiten und der hauptpumpenseitige Verlust strom können
durch entsprechende Wahl-der Feder 15 und der Drossel 34 variiert werden. Die Forderungen
"schnelles Schalten" und "kleiner Verluststrom" stehen sich jedoch entgegen, so
daß für jeden Anwendungsfall das Optimum gesucht werden muß. Der maximale Öffnungsweg
des Ventilkolbens 27 für den Hauptpumpenstrom kann durch die Lage der Steuerkanten
D2 den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Unter sonst gleichen Bedingungen
werden bei dem erfindungsgemäßen Zuschaltventil wesentlich kürzere Schaltzeiten
gegenüber dem bekannten Zuschaltventil erreicht.
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Im Gegensatz zur bekannten Einrichtung nach Fig. 1, bei der nach
Ausfall der Hauptpumpe eine gewisse Zeit vergeht, bis der Druck auf der Hauptpumpenseite
wegen des zunächst gleichbleibenden Verluststromes über die enge Drossel 24 soweit
abgebaut ist, daß die Steuerkanten D1 öffnen, werden bei der erfindungsgemäßen Ausführung
nach Fig. 2 bei Ausfall der Hauptstrompumpe die bereits offenen Steuerkanten D2
noch weiter geöffnet, so daß der verbleibende Druck im Hauptstromkreis wegen des
sofort grö-Ber werdenden Verluststromes sehr schnell abgebaut wird.
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In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ertindung dargestellt.
Auch hier weist das Gehäuse die gleiche Beschaffenheit und damit die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 auf. So ist in Fig. 3 in der Bohrung 6 des Gehäuses 1 ein Ventilkolben
37 axial verschiebbar gelagert, der drei Ringnuten 38, 39 und 40 besitzt, die mit
den Steuernuten 8, 9 und 10 die Steuerkanten A3, 33, C3 und D3 bilden. Die Ringnut
38 ist über' drei radiale Bohrungen 41 mit einer weiten axialen Bohrung 42, die
zum Anschluß 2 führt, verbunden. Eine von dem Bederraum 16 ausgehende axiale Bohrung
43 im Ventilkolben 37 ist am anderen Ende über eine schrägverlaufende Bohrung 44
angenähert senkrecht an eine Stelle mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, also mit
geringerem statischen Druck, in der Ringnut 38 angeschlossen.
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Dadurch verringert sich der normalerfeise von der Drossel 34 verursachte
Druck im Federraum 16 noch weiter, so daß ein kleinerer Verluststrom bei gleicher
Schaltzeit wie nach Fig. 2 vorhanden ist. Oder, falls, die Drossel 34, wie in Fig.
3 dargestellt, weggelassen ist, ergibt sich bei gleichgroßem Verluststrom eine kürzere
Schaltzeit. Der über Bohrungen 45 und 46 aus dem Federraum 16 zur Ringnut 40 bzw.
zum Rücklauf abfließende Verluststrom wird über die Steuerkanten D3 abgeregelt.