DE3002598A1

DE3002598A1 - Hydraulisches steuerventil, insbesondere fuer kraftfahrzeug-servo-steuereinrichtungen

Info

Publication number: DE3002598A1
Application number: DE19803002598
Authority: DE
Inventors: Arthur Ernest Bishop
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-26
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1980-07-31
Also published as: GB2042442A; JPS55102780A; JPH0120106B2; ES487803A0; DE3002598C2; ES8100189A1; GB2042442B; US4445422A

Description

ARTHUR ERNEST BISHOP, 17 Burton Street, MOSMAN. N.S.W. Australia

Hydraulisches Steuerventil, insbesondere für Kraftfahrzeug-S ervo-S teuereinri chtungen

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuerventil für eine Kraftfahrzeug-Servo-Steuereinrichtung, welche eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung für eine durch eine Pumpe gelieferte Hydraulik-Flüssigkeit; und Auslaßöffnunqen vom Ventil zum Verbinden der Rechts-Drehungs- und Links-Drehungs-Seiten eines Hydraulik-Motors, die so angeordnet sind, daß sie die vom Steuerrad auf die gesteuerten Straßenräder übertragenen Drehkräfte ergänzen, wobei das Ventil mindestens ein Paar die Einlaß- mit der Auslaßöffnung verbindende symmetrische Passagen besitzt, deren jede in sich zwei Öffnungen variabler Fläche, bestimmt durch relativ zueinander bewegliche Ventilteile, zwischen denen ein Aus-

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laß angeordnet ist, aufweist, wobei diese variablen Öffnungen so angeordnet sind, daß aufgrund von Relativbewegungen der Ventilteile zueinander beim öffnen der ersten variablen Öffnung sich die zweite schließt und umgekehrt, entsprechend der Größe von Drehkräften, die zur Relativbewegung der Teile so angewandt werden, daß Hydraulikflüssigkeit gegen den zwischengeordneten Auslaß oder von diesem fortgelenkt wird, bzw. der Hydraulik-Motor zur Herstellung einer Kraft veranlaßt wird, die die Drehkräfte ergänzt.

Die Erfindung bezieht sich also auf die hydraulischen Steuerventile, die in Seryo-Steuergetrieben von Bussen und Lastwagen verwandt werden.

Derartige Steuergetriebe weisen eine Eingangswelle auf, die mit dem Steuerrad verbunden ist. eine Ausgangswelle, die mit den gesteuerten Straßenrädern verbunden ist; eine übersetzte Verbindung zwischen diesen Wellen; und einen doppelt wirksamen hydraulischen Hilfsmotor, üblicherweise auch einen Zylinder, der mit der Ausgangswelle verbunden ist. Die Kraft des Steuergetriebes ist daher die Summe der Anstrengungen des Fahrers, die über das Getriebe übertragen wird und der Kraft, die durch den Hilfszylinder aufgebracht wird.

Bei der heute mehr und mehr verwandten Zahnstangenlenkung ist die Ausgangswelle durch eine transversale Zahnstange ersetzt, um die der Hilfszylinder angeordnet ist.

Die Betriebsweise des Hilfszylinders wird durch ein Ventil gesteuert, welches zwischen dem Steuerrad und der Eingangswelle angeordnet ist, welches Öl von einer motorgetriebenen Pumpe zu einer oder der anderen Seite des Hilfszylinders

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leitet, wodurch Unterstützung bei entweder rechts oder links gerichteten Kurven, wie benötigt, geliefert wird.

Im allgemeinen wird die motorgetriebene Pumpe so reguliert, daß ein konstanter Ölfluß zum Ventil und Zylinder geliefert wird, unabhängig von der Motorgeschwindigkeit.

Das Ventil ist im allgemeinen mit Hilfe von Federkräften auf eine Neutralstellung oder Position eingerichtet, so daß es weder rechts noch links gerichtete Unterstützung liefert, wenn kein Steueraufwand notwendig ist, so wenn beispielsweise das Fahrzeug gerade auf einer glatten ebenen Straße gesteuert wird. Wenn Kräfte über das Steuerrad zur Eingangswelle oder umgekehrt übertragen werden, gibt die durch eine Feder erreichte Zentrierung nach und das Ventil bewegt sich in eine Arbeitsstellung und leitet so Öl zu den Zylindern, um die Anstrengungen des Fahrers zu unters tutζ en.

Die Ventilöffnungen sind so angeordnet, um erhöhten Widerstand zu liefern, wenn erhöhte Steueranstrengungen benötigt werden; das System arbeitet also als Kraftverstärker. Umgekehrt werden Steuerkräfte von den Straßenrädern zum Fahrer zurück auf einem niedrigeren Niveau geliefert (da sie vom Hilfszylinder gegengesteuert werden) wodurch das Straßengefühl geliefert wird, welches dem Fahrer hilft, die entsprechende Geschwindigkeit- und Steuerbewegungen zu beurteilen. Das Steuerrad tendiert auch immer zum Rücklauf in die Geradeaus-Steilung nach einer Kurve.

Wenn gerade bei hohen Geschwindigkeiten gefahren wird, sind die für die Steuerung benötigten Anstrengungen klein und das Straßengefühl sowie die S teuer radrücklauf wirkung werden

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maskiert oder sind sogar völlig durch die Reibung des Steuersystems verloren. Dies ist insbesondere ein Problem bei Zahnstangensystemen, bei denen die Reibung immer hoch ist. In diesen Systemen ist es wünschenswert, daß die gerade beschriebene Verstärkerwirkung auf ein Minimum reduziert wird. Es gab viele Erfindungen, bei denen die Verstärkerwirkung des Ventils durch eine getrennte mechanische Einrichtung beim Schnellfahren unterdrückt wird, es wurden jedoch bisher wenige aufgrund ihrer zusätzlichen Komplexheit eingesetzt.

Andererseits wird, wenn ein Fahrzeug stationär geparkt werden soll, eine sehr große Anstrengung nötig, um die gesteuerten Räder zu drehen, wobei im allgemeinen das Ventil so entworfen ist, um sehr verstärkte Hilfe in diesem Fall zu liefern, wobei wenig Anwachsen in des Fahrers Lenkanstrengungen notwendig ist. Das Ventil wird mehr als Alles- oder Nichts-Einrichtung als als Verstärker wirken.

Die unterschiedlichen Betriebsweisen von Servo-Steuergetrieben sind detailliert in der US-PS 28 65 215 beschrieben.

Ein weiterer Aspekt der Steuerventilbetriebsweise bezieht sich auf das Antwortverhalten oder die Genauigkeit des Steuergetriebes. Es ist allgemein bekannt, daß alle Hilfs- (oder Servo-) Systeme einen Fehler oder einen Verlust an Genauigkeit einführen. Beispielsweise wird dann, wenn die Federzentrierung, die bereits weiter oben beschrieben wurde, nachgibt, ein Verlust der vom Fahrer eingegebenen Bewegung .stattfinden, die auf die Straßenräder übertragen wird. Umgekehrt verändert sich die Ausgabe der Steuerung und führt zu irrtümlichem Antwortver-

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halten des Fahrzeugs, sogar wenn der Fahrer das Steuerrad bewegungslos festhält, wenn die für die Steuerung der Räder notwendigen Kräfte sich aufgrund von Seitenwind oder Straßenunregelmäßigkeiten ändern. Dieser Verlust an Genauigkeit ist insbesondere dann schädlich, wenn man bei hohen Geschwindigkeiten geradeaus fährt. Derartige Verluste können dadurch minimalisiert werden, indem das Ventil sehr leicht ansprechbar gemacht wird, dann jedoch ist das Steuergetriebe wahrscheinlich leicht instabil und vibriert, wie Fachleuten, die Servosysteme entwerfen, wohl bekannt ist.

Zu diesen unterschiedlichen Problemen sind bereits viele Lösungsvorschläge gemacht worden. Beispielsweise:

Das früher allgemein verwandte hydraulische Reaktionsventil liefert eine positiv zentrierende Feder, um das Ventil in dar zentrierten und daher nicht wirksamen Position zu halten, bis irgendein Schwellenwert der Steuerkraft erreicht wird. Das Nachgeben der zentrierenden Feder an einem vorherbestimmten Wert liefert jedoch eine plötzliche Diskontinuität oder eine Stufe, welche sowohl das Gefühl als auch das Antwortverhalten des Steuersystems beeinträchtigt.

Daraufhin wurden Rotary-Hähne verwandt, wie beispielsweise in der US-PS 20 22 722 beschrieben, wobei die zentrierende Feder ein Torsionsstab ist, der daher ohne Stufe oder Diskontinuität in seiner Wirkungsweise arbeitet.

In derartigen Ventil-Systemen tritt sofort irgendeine Ventilbewegung bei dem geringsten Anwachsen des Steueraufwands auf und entsprechend der bisher verwandten Bauweise, wird unvermeidbar einige Unterstützung geliefert. Diese Unter-

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Stützung lenkt von dem Straßengefühl des Fahrers ab, obwohl sie klein ist, sowie von dem Zurücklaufen des Steuerrads in die Geradeausposition. Die Größe der Unterstützung derartiger Ventile in Zentralposition kann dadurch reduziert werden, indem eine Zone oder ein Zentrum vorgesehen wird, wo die Ventilbewegung wenig zur Lieferung von Unterstützung bewirkt. Nichtsdestoweniger wird dann das Antwortverhalten derartiger Ventile beträchtlich verschlechtert, Dieser Punkt wird noch weiter unten detaillierter auseinandergesetzt werden.

Ein weiteres System, welches zur Zeit sehr in Mode ist und· auch zur Reduktion der Zentralunterstützung gedacht war, liefert ein Abnehmen der Ölversorgung, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Dies ist, wie weiter unten beschrieben werden wird, unzufriedenstellend.

Rbtary-Hähne, die zur Zeit einen weiten Anwendungsbereich haben, besitzen typischerweise einen oder mehrere Sätze von Öffnungen, die symmetrisch angeordnet sind, wobei jeder Satz eine Einlaßöffnung, um Öl von der Pumpe zu erhalten, eine Auslaßöffnung, um das Öl für Rückführung zum Pumpenreservoir zu sammeln sowie Rechts- und Linksdrehungsöffnungen, um öl zu und von den Hilfszylindern zu bewegen. Die Rechtsund Linksöffnungen sind zwischen den Einlaßöffnungen und den Auslaßöffnungen angeordnet und sind von diesen in jedem Fall durch eine variable Öffnung getrennt. Dementsprechend weist öl, das von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung fließt, zwei Flüsse auf, in deren jedem sich zwei variable Öffnungen sowie zwischen diesen eine Zylinderöffnung befindet.

Der Durck in der Auslaßöffnung wird im allgemeinen ver-

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nachlässigbar sein, da er direkt mit dem Pumpenreservoir verbunden ist. Der Druck in den Rechtsdrehungs- und Linksdrehungs-Zylinderöffnungen wird daher von dem Verhältnis des Gesamtflusses abhängen, der durch die rechten und linken Flüsse des Ventils verläuft, und von dem Grad der Einengung durch die verschiedenen variablen Öffnungen.

In der zentralen oder Neutralstellung des Ventils, wenn gerade gefahren wird und kein Steueraufwand notwendig ist, wird der Ölfluß in beiden Flüssen gleich sein, wobei der Druck in den Rechts- und Linksdrehungszylindern ebenfalls gleich sein wird. In im wesentlichen allen anderen Betriebsbedingungen, wenn der Fahrer einen Steueraufwand auf das Steuerrad ausübt, tritt Flußasymmetrie auf, wodurch Druck aufgewandt wird und ein Differenzdruck in entweder den Rechts- oder linksdrehenden Zylinderöffnungen auftritt, der des Fahrers Steueraufwand unterstützt oder verstärken wird. Eine derartige Unterstützung oder Verstärkung tritt auch auf, wenn Straßenkräfte das Steuerrad von der durch den Fahrer vorherbestimmten Position abbringen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, Steuerventile der herkömmlichen Art dahingehend zu verbessern, daß bei geringen Ausschlägen um die Zentralposition lediglich geringe Kräfte zur Unterstützung der Lenkbemühungen des Fahrers geliefert werden, während bei großen Abweichungen von der Zentralposition, beispielsweise beim Parken, die volle Kraft der Servoeinrichtung zur Verfügung steht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein hydraulisches

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Steuerventil gelöst, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Paar Passagen eine zusätzliche Öffnung zwischen der axialen Auslaßpassage und der Rückleitung vorgesehen ist, die sich schließt, wenn die erstgenannte, zwischen Auslaßpassage und Rückleitung gelegene Öffnung sich öffnet und umgekehrt, so daß dann, wenn die angewandten Drehkräfte klein sind, die zusätzliche Drehkraft geringer ist als in Abwesenheit derartiger zusätzlicher Öffnungen.

Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils besitzt zusätzlich variable Öffnungen oder Einengungen in den rechten und linken Flüssen des Öls einer Art, die aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich ist.

Die Erfindung besteht aus einem hydraulischen Steuerventil für ein Kraftfahrzeug-Servo-Steuersystern, welches eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung für hydraulische Flüssigkeit, die durch eine Pumpe geliefert wird, Auslässe von dem Ventil zur Verbindung mit dem rechtsdrehenden und linksdrehenden Seiten eines hydraulischen Motors, welcher so angeordnet ist, daß die durch ein Steuerrad zu den gesteuerten Straßenrädern des Fahrzeugs übermittelten Drehkräfte unterstützt werden, wobei dieses Ventil mindestens ein Paar symmetrischer Passagen hat, die die Einlaßöffnung mit der Rückleitung verbinden, wobei jede Passage zwei Öffnungen variabler Fläche besitzt, zwischen denen ein Auslaß angeordnet ist, wobei diese Öffnungen durch relativ zueinander bewegbare Ventilteile bestimmt werden und diese Öffnungen so angeordnet sind, daß, wenn aufgrund relativer Bewegung zwischen diesen Teilen die erste Öffnung der Passage sich schließt, die zweite Öffnung dabei ist,sich

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zu öffnen und umgekehrt, entsprechend der Größe und Richtung der angewandten Drehkräfte, um Relativbewegung der Teile zueinander hervorzurufen, so daß hydraulische Flüssigkeit gegen den dazwischen angeordneten Auslaß oder Ausweg gelenkt wird,um dementsprechend den hydraulischen Motor dazu zu veranlassen, eine Kraft der geeigneten Größe und Richtung zur Unterstützung dieser Drehkräfte zu liefern. Der erfindungsgemäße Gegenstand ist insbesondere dadurch charakterisiert, daß in mindestens einem Paar Passagen eine zusätzliche Öffnung zwischen dem Auslaß und der Rückleitung angeordnet ist, die sich dann schließt, wenn sich die zwischen dem Auslaß und der Rückleitung liegende Öffnung öffnet und umgekehrt, so daß dann, wenn die angewandten Drehkräfte gering sind, die Hilfsdrehkraft geringer _'ist,als· es in Abwesenheit derartiger zusätzlicher Öffnungen der Fall gewesen wäre.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung erläutert ist. Dabei zeigt:

Fig. I eine allgemeine Ansicht der Hauptbestandteile eines konventionellen Servo-Zahnstangen-Steuersystems;

Fig. II einen Schnitt durch die Mitte des Gehäuses, welches die Antriebshülse und das Ventil umschließt, längs der Linie A-A der Figur I;

Fig. III ein Querschnitt durch das Ventil, längs der Linie B-B der Fig. II einer vereinfachten Ausführungsform mit zwei Flüssigkeitsströmen;

Fig. IV eine Darstellung des Verhältnisses zwischen

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relativer Rotation der Ventilbestandteile und den Öffnungsflächen;

Fig. V . eine Darstellung, die die Verstärkungsoder Hilfscharakteristika des Ventils zeigt;

Fig. VI ein Diagramm, das den Ölfluß durch das Ventil beschreibt;

Fig. VII einen Querschnitt ähnlich dem in Figur III

durch ein Ventil konventioneller Bauart,durch ein- nach der Erfindung hergestelltes Ventil;

Fig. VIII eine der Figur IV entsprechende Zeichnung, jedoch unter Einsatz des Ventils der Figur VII;

Fig. IX eine Darstellung der Verstärkungscharakteristika des in Figur VII gezeigten Ventils;

Fig. X ein Diagramm des Ölflusses durch das Ventil der Figur VII;

Fig. XI eine vergrößerte Ansicht des Zentralbereichs der Darstellung der Figur IX; und

Fig. XII ist eine perspektivische Darstellung der Antriebshülse des in Figur VII gezeigten Ventils.

Es wird darauf hingewiesen, daß in den Figuren II, III, VII und XII sehr vereinfachte Ventilformen, die bei praktischen Anwendungen verwandt werden, aus Gründen der Klarheit und Einfachheit der Beschreibung dargestellt sind.

Die irtotorgetriebene Pumpe 1 ist mit dem Steuergetriebe durch das Einlaßrohr I und das Rücklaufrohr R verbunden.

Die Steuerwelle 2 ist mit dem Ventil 3 der Welle verbunden, welches das innere Teil eines Rotary-Hahns bildet. Das Ventil der Welle, welches im folgenden als Ventil 3 bezeichnet

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werden wird, sitzt dicht in einer Antriebshülse 4 (die im weiteren als Hülse bezeichnet wird), welche zu begrenzten relativen Drehungen in derselben befähigt ist. Nicht gezeigte Anschläge begrenzen diese relative Drehung typischerweise auf etwa 7° beiderseits der Mittellage. Das Ventil 3 und die Hülse 4 sind mit Federn auf eine neutrale Stellung mit Hilfe eines Torsionsstabes 5 zentriert, welcher am oberen und unteren Ende jeweils am Ventil 3 und an der Hülse

4 befestigt ist. Die Hülse 4 ist an den Bezugszeichen 6 und 7 im Gehäuse 8 gelagert und mit einer Serie Dichtungen 9 ausgerüstet, die eine Serie umlaufender Rinnen 10 abtrennen. Diese Rinnen stehen durch gebohrte Öffnungen im Gehäuse mit externen Rohren I und R mit der Pumpe in Verbindung, genauso über die Rohre CL und CR mit jeweils einander gegenüberliegenden Enden des Kraftzylinders 11. Der Zylinder 11 ist koaxial mit der Zahnstange 12 angeordnet und am Gehäuse 8 befestigt.

An der Hülse 4 ist einstückig an ihrem unteren Ende ein Antriebsritzel 13 ausgebildet, welches mit in der Zahnstange 12 eingeschnittenen Zähnen in Eingriff kommt. Steuerkräfte oder Bewegungen, die durch den Fahrer auf die Steuerwelle 2 angewandt werden, werden mittels des Torsionsstabes

5 auf das Ritzel 13 und so auf die Zahnstange 12 übertragen. Die Enden der Zahnstange 12 sind durch Verbindungsstangen 12 a mit den Steuerarmen der Vorderräder eines Personenkraftfahrzeuges oder eines Lastwagens (nicht gezeigt) in üblicher Art und Weise verbunden.

Öl läuft vom Gehäuse 8 durch die Rohre CL und CR und wirkt an den entsprechenden Seiten des Antriebsteils 14 und übt dadurch zusätzliche Kräfte auf die Zahnstange 12 aus, um des Fahrers Bewegungen oder Steuerkräfte, die wie oben

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beschrieben übertragen werden, zu unterstützen.

In Figur II sind die umlaufenden Rinnen 10, die mit Verbindungen zu den Rohren CL und CR angeordnet sind, jeweils mit gebohrten Passagen 15 und 16 ausgerüstet, die in der inneren Oberfläche der Ventilhülse enden.

Die mit dem Einlaßrohr I und dem Rücklaufrohr R angeordneten Rinnen 10 sind jeweils mit gebohrten Leitungen 17 und 18 versehen, die in sich axial erstreckenden Öffnungen oder Passagen 19 und 20, die entsprechend in der Innenoberfläche der Hülse 4 ausgebildet sind, blind enden.

Die Betriebsweise eines konventionellen Rotationshahns kann am besten unter Bezugnahme auf die Figuren III bis VI beschrieben werden. Figur III ist ein Querschnitt des Ventils welches, beispielsweise aus Gründen der Einfachheit, lediglich einen einzigen Satz Öffnungen oder Löcher aufweist, währenddessen in den meisten Ventilen zwei, drei oder sogar vier Sätze verwandt werden. Beispielsweise werden in der US-PS 30 22 772 vier Sätze Durchlässe und öffnungen in jedem Flüssigkeitsstrom verwandt. Falls also zwei Sätze Öffnungen eingesetzt werden, würden alle Merkmale des in Figur III längs der Linie C-C in der unteren Hälfte der Figur wiederholt werden. Die Rücklauföffnung 18 würde auf der Linie C-C angeordnet und verdoppelt sein.

In Figur III ist das Ventil 3 entsprechend einer Rechtsdrehung um einen kleinen Winkel 21 von der zentralen Position der Symmetrie innerhalb der Hülse 4 dargestellt. Öffnungen 22 und 23, die in der. äußeren Oberfläche des Ventils 3 ausgebildet sind, enden genauso blind,wie die sich axial erstreckenden

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Öffnungen 19 und 20 in der Hülse 4. Die Längskanten dieser Öffnungen sind mit den in der Innenoberfläche der Hülse 4 angeordneten Öffnungen derart in einer Linie angeordnet, so daß sie vier öffnungen 24, 25, 26 und 27 bestimmen, deren Flächen sich entsprechend der relativen Drehung der Ventilelemente gegeneinander verändern werden.

Die Kanten der öffnungen können gerade sein, sind jedoch üblicherweise mit Abrundungen oder Aussparungen ausgerüstet, wie zum Beispiel beim Bezugszeichen 28 an den Öffnungen 24 und 27, so daß die Flächenänderung bei relativem Drehen der Zielelemente nicht konstant sondern variierend ist. Dieses Element des Entwurfs von Rotary-Hähnen ist allgemein bekannt. Beispielsweise ist in dem oben angegebenen U.S.-Patent die Ausbildung von Aussparungen in den Kanten der öffnungen äußerst detailliert beschrieben. Der Zweck dieser Aussparungen besteht in diesem Fall darin, einen sehr spezifischen Typ Hilfs- oder Unterstützungswirkung, wie in dieser Beschreibung erläutert, zu liefern. Kurven oder Darstellungen der Flächenänderung in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Ventils sind dort ebenfalls gezeigt. Erfindungsgemäß können ähnliche Typen von Aussparungen verwandt werden oder, alternativ dazu, einfache Abrundungen über einen Teil der Länge der öffnung, wie bei 28 angedeutet, ausgebildet sein.

Da jedoch die Anwendung der Erfindung hauptsächlich auf die Charakteristika des Ventils in seiner Zentralposition oder in der Nähe desselben gerichtet sind, wo das Ausbilden von Aussparungen sehr wenig Effekt zeigt, werden einfache Abrundungen -im folgenden beschrieben.

Die variablen Öffnungen 24 bis 27 nehmen die Form von schmalen

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Schlitzen an, deren Länge der Länge der öffnungen entspricht und eine Breite,· die durch die relative Rotation der Ventilelemente bestimmt ist, aufweisen. Es folgt, daß die Fläche dieser öffnungen sich im wesentlichen proportional der relativen Drehung der Ventilelemente ändert. Eine derartige Abhängigkeit ist in der Zeichnung der Figur IV dargestellt, wobei die horizontale Ordinate die relative Rotation der Ventilelemente und die vertikale Ordinate die Öffnungsflächen zeigt. Die Linien 24· bis 27' auf dieser Darstellung zeigen die Relation Winkel gegen Fläche für entsprechende Öffnungen der Figur III einer Rechtskurve. Wenn das Ventil nach links gedreht worden wäre, würden die entsprechenden Flächen sich so verhalten haben, wie durch die Strichpunktlinien 24" bis 27" dargestellt.

Offensichtlich knickt die Flächenlinie 24 von der Geraden lim etwa 2 und 3 , wie bei
kungen der Abrundungen 28.

um etwa 2 und 3 , wie bei 28' ab, aufgrund der Auswir-

Flächenlinien für die Einlaßöffnungen 25 und 26 werden häufig unterschiedlich von denen der Auslaßöffnungen und 27 verlaufen, insbesondere im Zentrum, wie bei den Punkten 30 und 31 in der Figur IV. Die Steigungen aller Linien in bezug auf die vertikale Achse werden im allgemeinen nichtsdestoweniger sehr ähnlich sein (außer wenn, wie bei 28, Abrundungen eingesetzt werden).

Figur V zeigt die Unterstutzungs- oder Hilfs-Charakteristika eines derartigen Ventils. Die horizontale Ordinate zeigt wiederum die relative Drehung der Ventilelemente, und die vertikale Ordinate den Druckunterschied zwischen dem Rechtsdrehungszylinder und dem Linksdrehungszylinder.

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Diese Druckdifferenzkurve 29 kann mit hoher Genauigkeit aus den bekannten Flächen der Ventilöffnungen, wie in Figur IV,berechnet werden, wobei eine gut eingeführte Flußgleichung für Fluß durch eine Öffnung verwandt wird:

2 ?

ITA"¹

K ist eine Materialkonstante für üblicherweise in Servolenkungsystemen eingesetzte öle von etwa 31,9, Q ist der Fluß, A ist die Öffnungsfläche und P der Druck.

Jim die Gleichungen für die Druckdifferenz in den Rechtsund Links-Drehungszylindern zu lösen, ist es notwendig, zuerst zu überlegen, wie sich der ölfluß in Rechtsdrehungsund Linksdrehungsflüsse innerhalb des Ventils aufteilt. Diese Aufteilung der Öl-Flüsse wird leichter unter Zuhilfenahme der Figur VI verstanden, welche vereinfacht den Fluß innerhalb des Ventils zeigt. Ein geregelter Fluß Q tritt in das Ventil von der Pumpe aus ein und teilt sich in Rechts- und Linksdrehungsflüsse der Volumina QL und QR auf, wobei der erstere nacheinander die variable Einlaßöffnung 26, den Durchlaß 23 und die variable Auslaßöffnung 27 passiert und der letztere durch die variable Einlaßöffnung 25, den Durchlaß 22 und die variable Auslaßöffnung 24 verläuft. Die in Klammern in Figur VI angegebenen Zahlen bedeuten die Flächen, die durch diese Zahlen in Figuren IV der entsprechenden öffnungen gezeigt sind, wenn das Ventil um den kleinen Winkel 21 gedreht ist. Wenn gesteuert wird, fließt etwas öl zwischen den Durchlaß 22 und den Durchlaß 23, meist ist dieser Fluß jedoch lediglich ein kleiner Prozentsatz des Gesamtflusses Q (insbesondere beim Geradeausfahren), seine Auswirkungen werden bei der weiteren Betrachtung der Ventilbetriebsweise

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vernachlässigt, weil diese Beschreibung sich hauptsächlich mit Betriebsweise im Zentralbereich befaßt.

Wenn nun beispielsweise der Ölfluß im linken Fluß betrachtet wird, passiert das Volumen QL nacheinander die Öffnungen mit Flächen 3A- und 35j Der Druck, der diesen Fluß P hervorruft, muß die Summe der Druckabfälle sein, die durch diese beiden Öffnungen hervorgerufen werden. Dementsprechend ist P:

QL 1 + 1 für den linken

K² (34)² (35)^{2 Fluß Und}

2
_ QR 1 + _J für den rechten

K² (33)² (32)^{2 Fluß}·

Da· die Summe von QL und QR bekannt ist (i.e. Q) , können die tatsächlichen Werte von QL und QR gefunden werden.. Durch Anwendung dieser Flüsse auf die Öffnungsflächen 35 und 32 können ebenfalls PL und PR gefunden werden, dementsprechend auch PL - PR, der Differenzdruck.

Nun kann die Abhängigkeit des Differentialdruckes vom Ventilwinkel gezeichnet werden, wie in Figur V durch die Linie 29 für einen konventionellen Rotationshahn gezeigt. Der Ventilwinkel erscheint hier als die horizontale Ordinate und der Differenzdruck als vertikale Ordinate. Die Geschwindigkeit der Druckänderung durch das Zentrum, eine Linie wie bei 29¹ , kann durch Berücksichtigung des Druckanwachsens für einen kleinen Winkel 21 berechnet werden und wird

2 typischerweise zwischen etwa 6,89 N/cm (10 psi) bis 13,794

2
N/cm (20 psi) pro Grad sein. Dies resultiert daraus, daß

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das Steuergetriebe einen beträchtlichen Grad Verstärkung durch das Zentrum hat, welcher unerwünscht für ein gutes "Lenkgefühl" und "Rückführbarkeit", wie bereits früher erwähnt, ist.

Diese Qualitäten können etwas verbessert werden, wenn die Flächen aller öffnungen vergrößert werden, um eine wie bei 39 dargestellte Abhängigkeit zu geben, welche eine Druckänderungsgeschwindigkeit am Zentrum von 39' hat. Nun wird allerdings die Ansprechbarkeit des Ventils insofern schlecht, da große Betriebswinkel notwendig sind.

Bei einem erfindungsgemäßen Ventil kann die Steigung der Linie 29 auf Null,ohne signifikant die Antwort auf das Steuergetriebe zu beeinträchtigen, reduziert werden.

Die Art und Weise, wie dies erreicht wird, wird nun unter Bezugnahme der Figuren VIII bis XII beschrieben. Bei einem Ventil, das entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde, werden zusätzliche variable Öffnungen in jedem der Rechtskurven-und Linkskurvenflüsse des Ventils angeordnet, entweder zwischen der axialen Einlaßpassage 19 und den Zylinderdurchlässen 22 und 23 oder zwischen diesen Öffnungen und der axialen Auslaßpassage 20. Letztere Anordnung ist bevorzugt. Die einzigartige Wirkung dieser zusätzlichen variablen öffnungen 42 und besteht zuerst darin, daß diese im Zentrum eine kleinere Fläche als jede der anderen Öffnungen im Fluß hat und zweitens, daß sie sich nur bis auf einen vorherbestimmten Wert schließen, woraufhin sie sich einer kleineren Geschwindigkeit oder sogar mit Null-Geschwindigkeit weiterschließen. Sie schließen sich nie vollständig.

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Diese zusätzlichen öffnungen sind notwendig, um den ölfluß im Ventil bei kleinen Betriebswinkeln zu beherrschen, aber dieses bei größeren Winkeln zu unterlassen, so daß eine Umkehr zu normalem Ventilbetrieb möglich ist.

Es sollen nun beispielsweise die Ventilbedingungen in Figur X betrachtet werden, wenn sich das Ventil um einen kleinen Winkel 21· gedreht hat und die Öffnungen die in Klammern angegebenen Werte haben, die aus der Flächendarstellung der Figur VIII abgelesen werden können. Die Fläche 54 wird kleiner als die Fläche 53 sein, trotzdem ist der Druck PL notwendig, um PR auszugleichen oder zu übertreffen.

Daraus folgt, daß QR größer als QL um mindestens den Bruch:

(53)

(54) ^1St·

Diesergilt, obwohl 44 geschlossen ist und 47 geöffnet ist, wodurch eine Tendenz des Druckabfalls PL und des Druckanwachsens von PR gegeben ist. Zusätzliche Öffnungen müssen selbstverständlich dazu führen, daß das Verhältnis von Öl im linken und rechten Fluß zu einem derartigen Grad geändert wird, daß die Effekte der übrigen Öffnungspaare nichtig werden. Ein derartiges Beherrschen findet nur dann statt, wenn alle 6 Öffnungen Flächen haben, die geeignet zueinander in Bezug stehen und ebenfalls dementsprechend geeignete Flächenänderungsgeschwindigkeiten.

Beispielsweise wird für den Entwurf eines derartigen Nullverstärkungsventils angenommen, daß die Flächen der vier Hauptöffnungen in Figur VIII die gleichen wie für Figur IV sind. Für den Fall einer kleinen Winkeldrehung 21 des Ventils,

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können wir nun die Werte der Flächen 53 und 54 einsetzen und den Bruchteil

QR

QL

(wie oben beschrieben), sowie deren Werte bestimmen. Nun kann durch Anwendung der Bedingung von NuliverStärkung beim Winkel 21 ' erhalten werden:

QL2 _J _1 ₌ QR2 , 1 _1 ,

PT — DP 0 0 0 0*?

*- *-* xrx\. — _T,o / i- c \ ^ t r α \ £* Tr*· /cn\ ^ώ ifi*^^

Durch Einsetzung der Flächenwerte von (55) und (52), wie beim konventionellen Ventil, (das heißt, (35) und (32) bleiben zwei Variable übrig, die Flächen 63 und 64. Sobald ein Wert für eine Fläche, beispielsweise 63, gewählt ist, ist 64 bestimmt.

63 und 64 müssen jedoch von der Zentralfläche 62 um ungefähr die gleiche Größe differieren, da die Flächenänderungsgeschwindigkeit der Öffnungen, nämlich die Steigungen von 42' und 43' sich nicht plötzlich am Zentrum ändern können. Infolgedessen können durch Trial- and Error-Verfahren geeignete Werte für die Fläche 62 und die Steigungen von 42' und 43' gefunden werden. Das Verfahren wird für eine Serie kleiner Winkel bis zum Winkel 21' wiederholt, oberhalb dessen die Nullzentrumsverstärkung nicht weiter benötigt wird. Der typische Winkel 21" wird etwa 1/4 bis 1/2° sein. Der Winkel .21" würde üblicherweise kleiner als der Winkel 71 sein, bei dem die Linie 43' abknickt wie bei 66, um zu einer konstanten Fläche zu werden.

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Die Figur XI ist eine vergrößerte Darstellung der Zentralfläche der Abbildung von Figur IX, wobei in der horizontalen Ordinate die Rotation des Ventils bei einer Rechtskurve bis zu einem Grad gezeigt ist= Hier wird ersichtlich, daß die Verstärkungslinie 75 Null bleibt, bis der Winkel 21" erreicht wird, nachdem sie leicht anwächst.

Alternativ dazu kann eine Verstärkungslinie 76 wünschenswert erscheinen, welche eine negative Verstärkung durch das Zentrum liefert, d. h., daß PL PR ist, bis etwa zu einem 2/3 . Die erwünschte Differenz PL - PR wird für jeden kleinen Drehwinkel berechnet und das entsprechende Verhältnis

QR

QL

gefunden. Zuvor können geeignete Werte für 63 und 64 nun genauso berechnet werden, wie für den Fall, wo eine Nullverstärkung erwünscht wurde. Es kann wiederum ein geringer Verstärkungsgrad, wie durch die Verstärkungslinie 77 gezeigt, erwünscht sein, dieser wird jedoch immer weniger als der sein, der durch ein Ventil herkömmlicher Bauart geliefert wird.

Man wird sich daran erinnern, daß die Öffnungen 42 und zuerst schnell schließbar sein müssen, wie durch den stellen Anwachs von 43' angezeigt, aber mit dem Schließen, wie bei Punkt 66 gezeigt, aufhören müssen und sogar dann offen bleiben müssen, bis die Ventilanschläge erreicht werden wie, beispielsweise,bei 7 .

Zwei geeignete Wege, dieses zu erreichen, sind in den

BOEHMERT & BOEHMERI

Figuren VII und XII dargestellt.

Eine Aussparung oder Ausnehmung 72 ist in den tragenden Flächen des Ventils 4¹, benachbart der Öffnung 20', die im allgemeinen konstanter radialer Tiefe und Länge sein wird, ausgebildet. Diese Aussparung wird genügend weit um die Peripherie der tragenden Fläche des Ventils fortlaufen, so daß die Kante 73 der Öffnung 61 niemals die Aussparung abschließt. Dementsprechend zeigt in Figur XII die gepunktete Linie 73 die Kante der Öffnung 61 bei einem Betriebswinkel von 21', wobei die Linie 73' ihre Position bei maximalem Ventilwinkel zeigt. Leichte Veränderungen der Aussparungsform, um leichte Variationen der Fläche beim Schließen zu erreichen, können wünschenswert sein.

Alternativ dazu kann die Aussparung eliminiert werden und die konstante Fläche hinter dem Punkt 66 durch ein gebohrtes Loch, wie gepunktet bei 74 dargestellt, angebracht werden. Ein derartiges Loch oder Löcher können durch die Ventilfläche zum Ventilzentrum gebohrt werden, von wo sie zur geeigneten umlaufenden Rinne 10 über das Loch 18a der Figur II zurückkehren können.

Die Arbeitsweise des Ventils, die oben beschrieben wurde, wird normalerweise einen zusätzlichen Rückdruck auf den ölfluß durch das Ventil bewirken aufgrund der zusätzlichen Hindernisse 42 und 43. Nichtsdestoweniger werden die Hindernisse der Öffnungen in einem Servogetriebe im allgemeinen lediglich einen kleinen Anteil des gesamten Rückdrucks hervorrufen, dementsprechend wird das Anwachsen dadurch vernachlässigbar sein.

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BOEHMERT & BOEHMERT

Weiterhin ist es allgemein bekannt, daß ein hoher Rückdruck bei einem Steuergetriebe zur Unterdrückung von Ölflußgeräuschen, zum Beispiel von "Zischen" und "Pfeifen" tendiert. Derartige Geräusche treten eher bei höheren Drücken auf, wenn zum Beispiel geparkt wird, und einige Steuereinrichtungen bewirken einen zusätzlichen Rückdruck auf das Steuergetriebe, wenn es bei derartig hohen Drücken arbeitet.

Spezielle Entwürfe bauen zusätzliche Hindernisse im Rotary-Hahn ein, welche bei größeren Ventilwinkel wirksam werden, um einen höheren Rückdruck bei großen Ventilbetriebswinkeln als in zentraler Stellung hervorzurufen, und unterdrücken dadurch Geräusche.

Es ist dieser Erfindung eigentümlich, daß sie auch dazu dienen kann, erhöhten Rückdruck auszuüben, wenn sie bei größeren Ventilwinkeln arbeiten und derart das' Zischen und ähnliches zu unterdrücken. Es sollte bemerkt werden, daß das erwünschte Resultat, die Verstärkung im Zentrum zu reduzieren, nur dann auftritt, wenn die speziellen Regeln, die charakteristischen Ventilflächenkurven auszuwählen, beachtet werden.

Obwohl die die Beschreibung begleitenden Zeichnungen nur eine einfache Ventilform zeigen, in der nur ein einziger Ölfluß in jeder Richtung eingesetzt wird, ist es wünschenswert, daß mindestens drei Flüsse für Ventile in personenbefördernden Fahrzeugen und vier Flüsse in Ventilen für Lastwagen eingesetzt werden. Derartige Ventile würden daher entweder neun öffnungen, sowohl im Ventil und in der Hülse oder dementsprechend 12 Öffnungen aufweisen.

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BOEHMERT & BOEHMERT

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den nachfolgenden Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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BOEHMERT & BOEHMERT

Akte: a 1530

BEZUG3ZEI0HENLI3TE (LIST OP REFERENCE NUMERALS)

Pumpe,

2 Steuerwelle ' 2_

3 Ventil 3_

4 (Antriebs) hülse 4.

5 Tors ions s tab J2_

6 Laqer für 4 in 8 6_

7 Laqer für 4 in 8 7_

8 Gehäuse 8_

9 Dichtungen 9_

10 umlaufende Rinne 10

11 (Kraft-) Zylinder _: 11

12 Zahnstange; 12 a = Verbindunasstangen 12

Ί5 Ritzel, Antriebs- 13

14- Antriebs teil 14

15 gebohrte Passage v.m Cl, 15

16 gebohrte Passagp 7.w PR 16

17 gebohrte T.pi t-nng in 4 17

18 gphohr-hp PnnVI p>i hing in Δ 18

19 aviaip Pagaagp in 4 _r axiale Einlaßpassage 19

20 avjaip Papwagp -i η 4 _f axiale Auslaßpassaqe 20

21 21'. 21" Winkel 21

22 Durchlaß? Zylinder- 22

23 Durchlaß; Zylinder— 23

24 fif fnnng _r (vari nbel) Auslaß— 24

25 fif-Frmng _f fvar i ahpi ). RinisR- 25

Pf, öffnung, (variabel) _f RiniaR- 26

2η öffnung,(variabel)f Auslaß- 27

28 Abrundung 28

29 Differenzdrücklinie; -Kurve 29_

30 Punkt für Zentrallage, für 24 ^₀

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BOEHMERT & BOEHMEKT

31 Punkt für Zentrallage, für 27	31
32	32
33	33
34	34
35	35
36	36
37	37
38	38
39' Druckänderungsgeschwindigkeit	39
40	40
41	41
42 zusätzliche öffnung, variabel	42
43 zusätzliche Öffnung, variabel	43
44	44
4-5	45
46	46
47	47
48	48
49	49
50	50
51	51
52 Fläche von 47	52
53 Fläche von 45	53
54 Fläche von 45	54
55 Fläche von	55
56	56
57	57
58	58
59	59
60	60
61 n-Ffrmrig	61
62 Zentralfläche von 42	62
63 Fläche von 4?	63
64 Flänhp von 42 '	64
65	65-

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BOEHMERT & BOEHM F.RT

ob Knickpunkt der Fläche von öffnuna 43	66
67	67
68	68
69	69
70 . · ■	70
71 Winkel "	71
72 Aussoaruna oder Ausnehmunq	72
73 Kante von 61	73
7^- aebohrtes Loch	74
75 Verstärkunqslinie	75
76 Verstärkunqslinie	76
77 Verstärkunqslinie	77
78	78
x® I = Einlaßrohr	79
&Q R = Rücklaufrohr	80
i3 CL = Rohr zu 11	81
J&2 CR = Rohr zu 11	82
j&5 Q = qereqelter Fluß	83
3BÖ- QL = Fluß, links: Vol.	84
&b OR = Fluß.rechts: Vol.	85
386 24' - 27¹ - Linien des Verlaufs der Öffnungsf 1 äche	86
iw? bei Rechtsdrehuna	87
3Ö8 24" - 27" - Linien des Verlaufs ne>r nffniingsflänhP	88
}89 von 24 his 27 hpi T.inlcsrtrphnntj	89
2^OP = Druck	90
3^ PL ="■ Druck, links	91
j82 PR = Druck, rechts	92
93	93
94	94
95	95
96	96
97	97
98	98
99	99
100	100

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Claims

BOEHMERT & BOEHMERT

A 1530

ANSPRÜCHE

1 J Hydraulisches Steuerventil für eine Kraftfahrzeug-Servo-■^teuereinrichtung, welche eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung für eine durch eine Pumpe gelieferte Hydraulik-Flüssigkeit;
und Auslaßöffnungen vom Ventil zum Verbinden der Rechts-Kurven- und Links-Kurven-Seiten eines Hydraulik-Motors, die so angeordnet sind, daß sie die vom Steuerrad auf die gesteuerten
Straßenräder übertragenen Drehkräfte ergänzen, wobei das
Ventil mindestens ein Paar die Einlaß- mit der Auslaßöffnung verbindende symmetrische Passagen besitzt, deren jede in
sich zwei Öffnungen variabler Fläche, bestimmt durch realtiv zueinander bewegliche Ventilteile, zwischen denen ein Auslaß angeordnet ist, aufweist, wobei diese variablen Öffnungen
so angeordnet sind, daß aufgrund von Relativbewegungen der
Ventilteile zueinander beim Öffnen der ersten variablen
Öffnung sich die zweite schließt und umgekehrt, entsprechend der Größe von Drehkräften, die zur Relativbewegung der Teile so angewandt werden, daß Hydraulikflüssigkeit gegen den
zwischengeordneten Auslaß oder von diesem fortgelenkt wird,

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BOEHMERT & BOEHMERT

bzw. der Hydraulik-Motor zur Herstellung einer Kraft veranlaßt wird, die die Drehkräfte ergänzt, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Paar Passagen (22¹, 20¹ bzw. 23¹, 20') eine zusätzliche Öffnung (42, 43) zwischen der axialen Auslaßpassage (20) und der Rückleitung (18) vorgesehen ist, die sich schließt, wenn die erstgenannte, zwischen Auslaßpassage (20) und Rückleitung (18) gelegene Öffnung (42) sich öffnet und umgekehrt, so daß dann, wenn die angewandten Drehkräfte klein sind, die zusätzliche Drehkraft geringer ist als in Abwesenheit derartiger zusätzlicher Öffnungen (42, 43).
2. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Öffnungen (42, 43) so konstruiert und angeordnet sind, daß, wenn die angewandten Drehkräfte klein sind, Hydraulikflüssigkeit so gelenkt wird, daß der Hydraulikmotor (1) zur Herstellung einer den Drehkräften entgegengesetzten Kraft veranlaßt wird.
3. Hydrauliksteuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Rotary-Hahn ist, welcher eine äußere Hülse 4 und einen inneren, konzentrischen Rotor 3 aufweist, wobei die Öffnungen variabler öffnungsfläche (25, 26, 27, 24; 42, 43, 44, 45, 46, 47) zwischen Längskanten von in der Rotoroberfläche ausgebildeten Aussparungen und der Innenoberfläche der Hülse(4) festgelegt sind.
4. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den zusätzlichen Öffnungen (42, 43) gehörigen Längskanten der Aussparungen im Rotor in ihrer Gestalt derart abgeändert sind, so daß diese zusätzlichen

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BOEHMERT & BOEHMERT

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Öffnungen (42, 43) schnell - ausgehend von einer Zentralposition - an Öffnungsfläche abnehmen, wenn sie sich auf einen vorherbestimmten Grad von Relativbewegung der Teile gegeneinander schließen und anschließend eine im wesentlichen konstante Öffnungsfläche während weiterer Relativbewegung aufrechterhalten.
5. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestaltänderung das Vorsehen einer Vertiefung (28· , 72) längs eines kleinen Abschnittes des Längskante einer Aussparung im Rotor (3) aufweist, wobei die Vertiefung (28', 72) eine im wesentlichen konstante radiale Breite und Tiefe sowie eine derartige Umfangslänge aufweist, so daß die Öffnung (42, 43, 44, 47) nie vollständig schließt.