DE2336373A1

DE2336373A1 - Hydraulisch kraftunterstuetztes fahrzeuglenksystem

Info

Publication number: DE2336373A1
Application number: DE19732336373
Authority: DE
Inventors: Frederick John Adams
Original assignee: TRW Steering Systems Ltd
Current assignee: TRW Steering Systems Ltd
Priority date: 1972-07-20
Filing date: 1973-07-17
Publication date: 1974-02-07
Also published as: IT991802B; JPS4944427A; GB1380360A; JPS5779068U; AU470255B2; BR7305468D0; ES417044A1; FR2193938A1; FR2193938B1; AU5776673A

Description

PATENTANWÄLTE R. SPLANEMANN dipl-chem. dr. B. REITZNER - dipl-ins. J. RICHTER

MÖNCHEN H- A M B U R ·

Cam Gears Limited

45 Wilbury Way Hitchin, Hertfordshire Großbritannien

BOOO MÜNCHEN 2 Tal 13

Telefon (0811) 22 62 07/224209 Telegramme: Inventius München

17. Juli 1973

Unsere Akte: Ihr Zeichen:

1502-1-8360

Patentanmeldung

Hydraulisch kraftunterstütztes Fahrzeuglenksystem

Die Erfindung betrifft ein hydraulisch kraftunterstütztes Fahrzeuglenksystem mit einem axial beweglichen Steuerkolben, der federnd bewegt wird durch die Relativbewegung zweier Glieder, die durch wendeiförmige Federelemente miteinander verbunden sind, welche Glieder und Elemente das vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachte Moment übertragen, wobei die Axialbewegung des Steuerkolbens den Strömungsweg des Druck-

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mittels von einer Druckmittelquelle zu der einen oder anderen Seite eines doppelt wirkenden Lenkservomotors und von der jeweils entgegengesetzten Seite zurück zu einem Druckmittelvorratsbehälter bestimmt.

Die Erfindung eignet sich, speziell für Straßenfahrzeuge. Sie zielt darauf ab, ein solches Lenkgetriebe in einer Ausbildungsform zu schaffen, bei der die Kraftquelle eine ständig laufende motorgetriebene Pumpe ist, die eine Druckflüssigkeit von einem Vorratsbehälter durch eine in der Mittelstellung geöffnete Ventilanordnung treibt oder bei der die Kraftquelle ein Druckspeicher ist, der beispielsweise durch eine vom ffahrzeugmotor angetriebene Pumpe unter Druck gesetzt ist· Speicherbetriebene Systeme haben praktische Vorteile; andererseits ist auch ein Nachteil nicht zu übersehen, insofern nämlich, als ein in der Mittelstellung geschlossenes Ventil einen ziemlich heftigen oder plötzlichen Druckanstieg ergibt, wenn es auch nur ein klein wenig geöffnet wird. Dabei ist es wünschenswert und in der Tat fast notwendig, eine in der Mittelstellung geschlossene Ventilanordnung zu verwenden, welche den Akkumulator absperrt, wenn das Getriebe sich in Neutralstellung befindet oder nicht betätigt wird. Es hat sich herausgestellt, daß der plötzliche Druckanstieg dem Benutzer das Gefühl einer Instabilität gibt. Was verlangt wird, ist hingegen eine geschmeidige progressive Druckflüssigkeitsströmung unter der Steuerwirkung des Ventils und zwar sowohl hinsichtlich des Drucks als auch der Bewegungsrichtung des Servomotors.

Der Erfindung liegt einerseits die Aufgabe zugrunde, den befriedigenden Einsatz eines Druckspeichers als Hauptdruckquelle (obwohl er geladen oder nachgefüllt werden muß) im Sinne der Herbeiführung einer geschmeidigen und progressiven Lenkhilfe zu ermöglichen. Zum anderen zielt die Erfindung auch darauf ab, eine für solch ein System geeignete wirksame drehmoment-

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abhängige Vorrichtung, eine einfache Justiervorrichtung und andere praktische konstruktive oder anordnungsmäßige Ver_ vesserungen zu schaffen, die die Leistungsfähigkeit des Systems als ganzes fördern.

Es wurde bei hydraulischen kraftunterstützten Fahrzeuglenksystemen schon früher vorgeschlagen, eine federnde mechanische Verbindung zu schaffen, die das vom Fahrer erzeugte Drehmoment überträgt. Diese Verbindung bestand aus spiralförmig angeordneten federnden stabähnlichen Elementen, welche eine Verbindung herstellten zwischen ventilbetätigten Gliedern, die durch Axialbewegung auf einen Steuerkolben wirkten. Der Steuerkolben entsprach dabei der in der Mittelstellung geöffneten Art, bei der die Druckflüssigkeitszuführung kontinuierlich ist, wie z. B. bei einer vom Fahrzeugmotor angetriebenen Pumpe.

Bei jedem kraftunterstützten Lenksystem ist eine der erwünschten (jedoch nicht immer erreichten) Eigenschaften die, daß eine Kraftrückführung zum Fahrer ("feel") vorhanden sein sollte, so daß der Fahrer fühlen kann, welche Kraft er in einer speziellen Fahrsituation ausübt. Ein anderes Erfordernis besteht darin, daß kein plötzlicher oder ungedämpfter Servoeffekt auftreten sollte: Bei einem System, das ein unter Druck gespeichertes Druckmittel zur Lenkhilfe verwendet, ist es erstaunlich schwierig, die Kraftunterstützung so einzurichten, daß sie sanft einsetzt, so daß der Fahrer sich kaum der Tatsache bewußt wird, daß seine eigene Lenkanstrengung verstärkt wird oder daß die Verstärkung plötzlich entzogen wird. Es gibt heutigentags hydraulische Anlagen, bei denen Speicher deshalb benutzt werden, weil sie sich auch bestens für andere Zwecke als die Lenkunterstützung eignen. So ist beispielsweise bei manchen Systemen für die Lenkunterstützung, die Bremsunterstützung und die Niveauregelung der Karosserie dine einzige

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Druckmittelquelle vorgesehen. In solch einem System ist das allmähliche Einsetzen der Lenkhilfe ganz besonders wünschenswert.

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einem hydraulisch kraftunterstützten Fahrzeuglenksystem der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerkolben so ausgebildet und angeordnet ist, daß er von dem infolge seiner Betätigung auf den Servomotor weitergeleiteten Druck entgegen der Wirkung der ihn ursprünglich bewegenden Glieder und Elemente bewegt werden kann. Dadurch ergibt sich eine Druckrückführung, welche der Ventilbetätigung entgegenwirkt.

Bei der vorliegenden Erfindung werden somit einzelne je für sich bekannte Merkmale kombiniert, wodurch insgesamt ein Vorteil erzielt wird, der die einfache Summe der Vorteile der Einzelmerkmale übersteigt, falls diese Je für sich allein angewendet würden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das in einem Lenksystem der eingangs bezeichneten Art verwendete Ventil ein in der Mittelstellung geschlossenes Ventil. Bislang war angenommen worden, daß Lenksysteme der eingangs bezeichneten Art nur mit in der Mittelstellung geöffnetem Ventil praktikabel wären mit dem daraus folgenden Nachteil, daß ein System, bei dem die Druckmittelquelle einen Druckspeicher war, eben nicht ausgeführt werden konnte. Bei Anwendung der Erfindung ist jedoch die praktische Ausführbarkeit eines solchen Systems gesichert, nämlich durch die Druckrückführung zu dem Ventil, wodurch der plötzliche Druckanstieg vermieden wird, der bislang mit der Betätigung eines in der Mittelstellung geschlossenen Ventils untrennbar verbunden war.

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Die Erfindung umfaßt ferner konstruktive Merkmale und Justiervorrichtungen, welche sich bei der Fertigung und dem Betrieb des Lenksystems nützlich erweisen, und sie umfaßt ein hydraulisch, kraftunterstütztes Fahrzeuglenksystem, in dem die spezielle drehmomentempfindliche Vorrichtung und das Ventil mit Eückführeffekt enthalten ist, das nachfolgend beschrieben wird. Die Erfindung umfaßt auch Lenksysteme, bei denen die erfindungsgemäßen Hauptmerkmale in Lenkmechanismen bekannter Art mit einem ringförmigen doppelt wirkenden Kolben auf einer verlängerten Zahnstange integriert sind.

Das drehmomentempfindliche Ventil, welches einen axial beweglichen Steuerkolben enthält, ist so ausgebildet, daß der Steuerkolben als zweiseitig beaufschlagter Kolben arbeitet, insofern, als seine Enden in zwei Druckkammern hineinragen, dabei Dichtungen durchsetzen und einen angemessenen Querschnitt haben, und daß die Auslaßleitungen von dem Ventil zum Servomotor mit diesen Kammern verbunden sind. Auf diese Weise setzt der hydraulische Lenkhilfedruck, der durch, das Ventil gesteuert wird,' nicht nur der weiteren Bewegung des Steuerkolbens aus der Hittelstellung heraus einen Widerstand entgegen, sondern er tendiert auch dahin, den Steuerkolben in die Hittelstellung zurückzubringen, ein Effekt, der als Rückführung bezeichnet wird.

Der Steuerkolben wird mittels einer Schub- und Zugstange, welche die drehmomentempfindliche Kupplung mit dem Steuerkolben verbindet, betätigt. Die Verbindung mit der einen Kupplungshälfte erfolgt mittels eines Schraubgewindes, welches eine einfache und zweckentsprechende Vorrichtung zum Justieren der Neutral- oder Mittelstellung des Steuerkolbens darstellt. Die Stange ist zu diesem Zweck vorzugsweise am Stirnende mit einem Schlitz versehen, der einen Schraubenzieher oder ein anderes Werkzeug aufnehmen kann, und außerdem

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ist eine Stellschraube vorgesehen, um die Stange nach ihrer Justierung zu arretieren.

Nach einer anderen konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist ein freischwimmender Dichtungsträger und ein Stützrohr vorgesehen, was sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung ergibt.

Sie Figuren 1A und 1B zusammen genommen zeigen einen Längsschnitt eines Teils eines kraftunterstützten Zahnstangen-Lenkgetriebes. Biese Figur ist auf zwei gleiche Längen gekürzt, wobei die Bruchstellen durch gewellte Linien angedeutet sind.

Die Fig. 2 ist ein Längsschnitt, der die drehmoment abhängige Kupplung zeigt.

Bas Lenkgetriebe hat ein feststehendes Lenkgehäuse 1, in dem bei 2 der untere Teil 3 der Lenksäule gelagert ist, deren (nicht dargestellter) oberer Teil mittels eines kerbverzahnten hohlen zylindrischen Zapfens 4 angeschlossen ist. Der Teil 3 hat ein Ritzel 5» welches in bekannter Weise in die Verzahnung einer Zahnstange 6 eingreift. Die Zahnstange 6 hat einen Ringkolben 7» der sich in einem Servomotorzylinder 8 verschieben läßt. Ein Ende (das rechte Ende in Fig. 1) des Zylinders 8, weist eine Dichtungen tragende Hülse 9 auf, die sich gegen ein Stützrohr 10 abstützt, das seinerseits in das Gehäuse 1 eingesetzt ist. Diese Elemente 9 und 10 sind nicht aus einem Stück, was ihren Zusammenbau erleichtert. Die Zahnstange 6 ragt durch eine zweite Dichtungen tragende Hülse 11, welche am linken Ende der Fig. 1 zu erkennen ist, aus dem Zylinder 8 heraus.

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Die Enden der Zahnstange 6 weisfcn mit Federn vorgespannte kugelige Verbindungen mit den Lenkhebeln der Fahrzeugräder auf· Auf der rechten Seite ist eine solche Verbindung gezeigt. Die Enden des Zylinders 8 sind über teilweise strichpunktiert angedeutete und mit 3A und 8B bezeichnete Leitungen mit dem noch zu beschreibenden Ventil verbunden.

Der untere Teil 3 der Lenksäule weist ein Nadellager 12 auf, das den oberen Teil 13 einer drehmomentempfindlichen kupplungsartigen Anordnung (siehe auch Fig. 2) trägt.

Koaxial durch den Teil 3 und. sein Ritzel 5 verläuft eine Stange 15» die sich axial frei verschieben läßt und bis zu einem Querstift 16 reicht, der sie mit einem axial beweglichen Steuerkolben 17 verbindet. Ein Ventilkörper 18, in dem der Steuerkolben drehbar und verschiebbar gelagert ist, hat vier Anschlüsse 19A, 19B, 190 und 19D. Diese dienen zur Zuführung von Druckmittel von dem nicht gezeigten Druckspeicher, der die Druckmittelquelle darstellt (19A), zur Bückführung des Druckmittels zu einem ebenfalls nicht dargestellten Nachfüllbehälter, der stets einen Bestandteil eines Servosystems bildet (19B), zur Verbindung (190) mit dem rechten Ende und zur Verbindung (19D).mit dem linken Ende des Servomotorzylinders 8. Der Steuerkolben 17 hat drei Hingkanäle· Der mittlere davon ist stets mit dem Anschluß- 19A verbunden und pffnet bei axialer Bewegung des Steuerkolbens entweder zum Anschluß 190 oder 19D hin. Der obere und untere Ringkanal verbindet bei entsprechender Bewegung des Steuerkolbens abwechselnd den Anschluß 190 bzw. 19D mit dem Rückführanschluß 19B. Ähnliche Ventilanordnungen, bei denen in der Mittelstellung die Druckzufuhr zu beiden Kammern des Servomotorzylinders unterbrochen ist, sind bei kraftunterstutzten Lenksystemen üblich.

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Die Enden des Steuerkolbens 17, nämlich 17A und 1?B, haben gegenüber dem Mittelteil einen etwas geringeren Durchmesser und sind mit O-Ringen gegen den Ventilkörper 18 abgedichtet. Die durch diese Abstufung entstandenen Ringflächen wirken in den ringförmigen Kammern über dem unteren O-Ring und unter dem oberen O-Ring als Kolben· Diese ringförmigen Druckkammern 18A und 18B sind über Verbindungskanäle 20 im Ventilkörper 18 mit den Anschlüssen 19C bzw. 19D verbunden· Wenn einer dieser Verbindungskanäle, beispielsweise 19D, unter Druck gesetzt wird, so folgt daraus, daß der gleiche Druck in der Kammer 186 an die Ringfläche am Ende 17B des Steuerkolbens angelegt und dieser somit nach oben bewegt wird, wobei er das Bestreben hat, entgegen der ursprünglich verursachten Bewegung wieder in seine Mittelstellung zurückzukehren.

Bei der in Fig. 2 gezeigten drehmoment abhängigen Kupplungsvorrichtung stellt der obere Teil 13 in eingebautem Zustand die Fortsetzung der nicht gezeigten Lenksäule dar und ist mit ihr durch den kerbverzahnten Zapfen 4 verbunden. Der untere Teil 22 der Kupplungsvorrichtung ist mittels eines Stifts 23 mit dem unteren Teil 3 der Lenksäule verbunden. Die beiden Teile 13 und 22 sind untereinander mittels wendelförmig verlaufender Federdrähte oder -streifen 24 verbunden, deren Enden in Aussparungen der flanschartigen Teile 13 und 22 der Vorrichtung unlösbar befestigt sind· Die Federelemente 24 haben vorzugsweise eine Steigung in der Größenordnung von 45° bezüglich der Achse der rotierenden Elemente. Die Federelemente übertragen das Lenkmoment von dem oberen Teil 13 auf den unteren Teil 22 und damit auf den Teil 3 der Lenksäule. Da sie so als Kupplung mit einem Drehmoment beaufschlagt werden, bewirkt eine relative Drehung des Teils 13 gegenüber dem Teil 3 eine entsprechende Axialbewegung zwischen diesen Teilen. Wenn die Kupplung daher beim Lenkvorgang tordiert wird, dann dehnt sie sich in axialer

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Richtung aus oder zieht sich zusammen. Die mit dem Teil 13
zusammengeschlossene Stange 15 ist auf der anderen Seite
mittels des Querstiftes 16 und dem Steuerkolben 17 verbunden und bewegt diesen· Die Stange 15 ist am oberen Ende mit dem Teil 15 verschraubt und hat zu diesem Zweck einen Schraubenzierschlitz 15A. Ferner ist sie mittels einer Madenschraube 15B arretierbar. Diese Anordnung ermöglicht es, die Lage des Steuerkolbens 17,im Ventilkörper 18 zu justieren.

Vorstehende bewegliche Teile sind vorzugsweise mittels
flexibler Abdeckungen, z. B. 25, geschützt. Wie üblich können unmittelbare Anschläge vorgesehen sein, um die Lenkverbindung aufrechtzuerhalten, wenn die drehmomentempfindliche Kupplungsvorrichtung versagen sollte, was jedoch an sich
genügend bekannt ist und keiner besonderen Darstellung bedarf.

Vie bei den meisten rotierenden drehmomentempfindlichen Ventilanordnungen für Servolenkungen ist für den Fall eines
hydraulischen Defekts Vorsorge getroffen. Im vorliegenden
Beispiel sind zwei parallele Stifte 14 vorgesehen, die in
Querbohrungen in dem Teil 13 sitzen und tangential an dem
Teil 3 anliegen, wobei sie von tangentialen Nuten aufgenommen werden, die mit divergierenden Freiräumen an jedem Ende der Stifte ausgestattet sind. Venn nun ein hydraulischer
Defekt auftritt, dann arbeiten die Stifte 14 als Fangstifte und bewirken eine unmittelbare Drehmomentübertragung zwischen den Teilen 15 und 3, wobei sie eine ausreichende freie Winkelbeweglichkeit für die Ventilbetätigung zulassen. Diese
Stiftanordnung verhindert auch eine vollkommene axiale Trennung der Teile 13 und 3« wenn beispielsweise die Federelemente 24 versagen sollten.

Ansprüche
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Claims

Ansprüche

Λ·) Hydraulisch, kraftunterstütztes Fahrzeuglenksystem mit einem axial beweglichen Steuerkolben, der federnd bewegt wird durch die Relativbewegung zweier Glieder, die durch wendeiförmige Federelemente miteinander verbunden sind, welche Glieder und Elemente das vom Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachte Moment übertragen, wobei die Axialbewegung des Steuerkolbens den Strömungsweg des Druckmittels von einer Druckmittelquelle zu der einen oder anderen Seite eines doppelt wirkenden Lenkservomotors und von der jeweils entgegengesetzten Seite zurück zu einem Druckmittelvorratsbehälter bestimmt, dadurch gekennzeichnet , daß der Steuerkolben (17) so ausgebildet und angeordnet ist, daß er von dem infolge seiner Betätigung auf den Servomotor (7, 8) weitergeleiteten Druck entgegen der Wirkung der ihn ursprünglich bewegenden Glieder (22, 13, 15) und Elemente (24) bewegt werden kann.
2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (17, 18) ein in der Mittelstellung geschlossenes Ventil ist und daß die Druckmittelquelle einen Druckmittelspeicher enthält.
3. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (17) so ausgebildet ist, daß seine beiden Enden (17A, 17B) dem Druck in zwei Druckkammern (18A, 18B) ausgesetzt sind, welche beiden Kammern jeweils mit einer der beiden Druckmittelauslässe (190» 19D) verbunden (20) sind, die von dem Ventil zum Servomotor (7* 8) führen.
4·. Lenksystem nach Anspruch 3« dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (1?A, 17B) des Steuerkolbens einen wirksamen

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Durchmesser haben, der kleiner als der Maximaldurchmesser des Steuerkolbens (17) ist.
5. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelstellung des Steuerkolbens (17) dadurch einstellbar ist, daß er mittels eines in einen Teil (13) der Lenksäule eingeschraubten Verbindungsorgans (15) bewegbar ist.
6. Lenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels des Ventils (17» 18) beaufschlagte Servomotor aus einem Kingzylinder (8 bis 11) und einem darin befindlichen zweiseitig beaufschlagten Hingkolben (7) besteht, der auf einer Verlängerung der Zahnstange (6) montiert ist.

7· Lenksystem der vorbeschriebenen Art, das insbesondere entsprechend der erläuterten Zeichnung konstruiert ist und funktioniert, das Jedoch dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ventil in der Mittelstellung geöffnet ist.

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