DE3024171A1

DE3024171A1 - Hydrostatische stelleinrichtung, insbesondere lenkeinrichtung fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE3024171A1
Application number: DE19803024171
Authority: DE
Inventors: Svend Erik Nordborg Thomsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1982-01-21
Also published as: IT8167890A0; DK273181A; FR2485651B1; CA1155771A; IT1145167B; DK149536C; DK149536B; FR2485651A1; JPS5747001A; DE3024171C2

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH

. ρ at ε IMXAN W ALT 6 fraimkfurt/main ι, den 26. Juni 1980

Ij kOhhornshofweg 10 K/Ri

POSTSCHECK-KONTO FRANKFURT/M. 3425-605 Λ» - .

DRESDNER BANK, FRANKFURT/M. 2300308 TELEFON: 561078

TELEGRAMM: KNOPAT _ _ft „ ^ -

TELEX: 411877 KNOPA D Vf U fa H I /I

DA 553

DANFOSS A/S, Nordborg (Dänemark)

Hydrostatische Stelleinrichtung, insbesondere Lenkeinrichtung für Fahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Stelleinrichtung, insbesondere Lenkeinrichtung für Fahrzeuge, mit einem Arbeitskreis, der einen Stellmotor und ein hiermit über Motorleitungen verbundenes, von einem Betätigungsorgan verstellbares Steuerventil aufweist, und mit einer die Lage des Stellmotors unter Verwendung einer Druckmittelleitung nachbildenden Rückführvorrichtung, die im Gegensinn zum Betätigungsorgan auf das Steuerventil wirkt.

Bei einer bekannten Stelleinrichtung dieser Art (DE-PS 12 93 029) weist die Rückführvorrichtung einen Meßmotor auf, der konstruktiv mit dem Steuerventil vereinigt ist und von dem zum Stellmotor hin strömenden Druckmittel angetrieben wird. Da die Meßmotor-Stellbewegung proportional der Stellmotor-Stellbewegung ist, ergibt sich der gewünschte Rückführeffekt, ohne daß eine mechanische Verbindung zwischen dem Stellmotor und dem Steuerventil vorhanden sein müßte. Dies hat den Vorteil, daß der Stellmotor nur über Druckmittelleitungen mit dem Steuerventil verbunden sein muß, was eine große Freizügigkeit bei der Anordnung der einzelnen

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Teile bietet. Bei einer solchen Stelleinrichtung besteht aber unter gewissen Umständen (hoher Arbeitsdruck, starke Abnutzung usw.) die Gefahr einer Drift, also einer nicht genauen proportionalen Verstellung des Meßmotors.

Es sind auch Stelleinrichtungen bekannt (DE-AS 26 29 113), die eine rein mechanische Rückführvorrichtung aufweisen. Diese sind zwar driftfrei. Es ist aber notwendig, das Steuerventil nicht nur mechnisch mit dem Betätigungsorgan sondern auch mechanisch mit dem Stellmotor zu verbinden. Dies beeinträchtigt die Gesamtkonstruktion und die Montage erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Stelleinrichtung der eingangs beschriebenen Art, also mit einer nur über eine Druckmittelleitung erfolgenden Rückführung, anzugeben, bei der Undichtigkeiten im System keine Drift bewirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Betätigungsorgan über eine Feder auf das Steuerventil und der Stellmotor über eine Feder auf das Überdruckventil wirken und daß die Rückführvorrichtung einen hydrostatischen Rückführkreis aufweist, dessen Druck durch das Überdruckventil bestimmt ist und auf eine Druckfläche des Steuerventils wirkt.

Bei dieser Konstruktion wird die Lage des Stellmotors mit Hilfe einer Feder und eines Überdruckventils in einen hydrostatischen Druck transformiert. Das Steuerventil . nimmt eine Gleichgewichtslage ein, die einerseits von diesem hydrostatischen Rückführdruck und andererseits von einer Feder abhängt, deren Kraft durch die Lage des Betätigungsorgans bestimmt ist. Hierbei spielen Leckverluste im Arbeitskreis keine Rolle, weil es nur auf die Lage des Stellmotors ankommt. Leckverluste im Rückführkreis sind ebenfalls unbeachtlich, da hierdurch der vom Überdruckventil bestimmte Rückführdruck nicht beeinflußt wird.

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Insgesamt werden daher die Vorteile einer driftfreien Rückführung und einer flexiblen Montage vereinigt.

Arbeitskreis und Rückführkreis können völlig getrennt voneinander ausgelegt und je mit einer eigenen Druckmittelquelle versorgt werden. Man kann aber auch den Rückführkreis und das Überdruckventil zwischen die Zulaufseite des Steuerventils und den Tank schalten. In diesem Fall kommt man mit einer einzigen Druckmittelquelle oder Pumpe aus. Eine besonders leistungsarme Auslegung ergibt sich, wenn der Rückführkreis und das Überdruckventil zwischen die Ablaufseite des Steuerventils und den Tank geschaltet ist. Denn hierbei wird die Druckflüssigkeit doppelt genutzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß das Steuerventil zwischen Zu- und Ablauf zwei Reihenschaltungen von je zwei Drosseln aufweist, an deren Verbindungspunkten die Arbeitsleitungen abzweigen, wobei die Drosseln innerhalb Jeder Reihenschaltung und die gleichartigen Drosseln jeder Reihenschaltung $»eils gegensinnig verstellbar sind. Auf diese Weise ist die Stellung des Stellmotors durch ein Druckgleichgewicht gegeben. Jede Verstellung des Steuerventils führt unmittelbar, also ohne Totgang zu einer Verstellung des Stellmotors. Darüber hinaus steht am Ausgang des Steuerventils immer Druckflüssigkeit auf einem ausreichenden Druckniveau zur Verfügung, um den Rückführkreis zu speisen.

Eine teonders einfache Ausführungsform erhält man, wenn das Steuerventil einen Kolben aufweist, der an der einen Stirnfläche von der zugehörigen Feder belastet ist und dessen andere Stirnfläche die dem Druck im Rückführkreis ausgesetzte Druckfläche bildet. .■,"-.'■■

Günstig ist es ferner, daß die Feder auf der dem Stellmotor bzw. dem Betätigungsorgan zugewandten Seite auf einem Stützkolben ruht, der einen mit dem Rückführkreis verbundenen Kompensations-

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Druckraum begrenzt. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Rückführdruck irgend-einen Einfluß auf die Lage des Stellmotors oder die Lage des Betätigungsorgans hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Betätigungsorgan mit einer Handpumpe verbunden sein, deren beide Anschlüsse über je ein zu einer Druckmittelquelle hin öffnendes Rückschlagventil mit deren Druckseite und mit der Zuflußseite des Steuerventils verbunden sind. Diese Handpumpe führt dazu, daß das Betätigungsorgan im Normalbetriebfast kraftfrei verstellt werden kann, weil von der Druckmittelquelle geförderte Druckflüssigkeit über die Handpumpe strömt. Es ergibt sich jedoch eine automatische Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit, wenn die Druckmittelquelle nicht mehr genügend Druckflüssigkeit liefern kann; in diesem FaIL sind am Betätigungsorgan entsprechende Kräfte aufzubringen. Im Uotbetrieb läßt sich darüber hinaus die Handpumpe als Notpumpe betreiben.

Eine besonders günstige Auslegung besteht darin, daß die Handpumpe pro Wegeinheit mindestens eine so große Druckflüssigkeitsmenge verdrängt wie der Stellmotor pro Wegeinheit. Auf diese Weise läßt sich der Notbetrieb durchführen, wobei sogar noch der Rückführkreis wirksam bleibt. :

Außerdem ist es empfehlenswert, wenn die Druckseite der Druckmittelquelle über ein Nachsaug-Rückschlagventil mit dem Tank verbunden ist. Auf diese Weise wird beim Ausfall der Druckmittelquelle diese durch das Nachsaug-Rückschlagventil Überbrückt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnimg dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Fig. zeigt schematisch ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung.

Ein Arbeitskreis 0 weist eine Druckmittelquelle 1 in der Form einer Pumpe, ein Steuerventil 2 und einen Stellmotor 3 auf. Die

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Pumpe saugt Druckflüssigkeit aus einem Tank 4 und fördert sie von ihrer Druckseite 5 über zwei Paare von je zwei Rückschlagventilen 6, 7 und 8, 9 zur Zulaufseite 10 des Steuerventils 2. Der Stellmotor weist einen in einem Zylinder 11 verschiebbaren Kolben 12 auf, dessen Kolbenstange 13 auf die zu verstellende Einrichtung, z. B. zu lenkende Räder, wirkt. Der Kolben trennt zwei Arbeitsräume 14 und 15 voneinander, die über Motorleitungen 16 und 17 mit Motoranschlüssen 18 bzw. 19 des Steuerventils 2 verbunden sind. .

Die Ausgangsseite 20 des Steuerventils 2 ist nicht direkt mit dem Tank/verbunden sondern über einen Rückführkreis 21, ein Überdruckventil 22 und eine Tankleitung 23. Der Rückführkreis 21 weist eine Druckmittelleitung 24 auf, welche einen Druckraum 25 und einen Druckraum 26 miteinander verbindet. Das Überdruckventil 22 weist einen Schieber 27 auf, der auf der einen Seite durch eine Feder 28 belastet ist, welche sich an einem mit der Kolbenstange 13 verbundenen Stützkolben 29 abstützt. Die linke Stirnseite 30 bildet zusammen mit einem gehäusefesten Ventilsitz 31 die Drosselstelle des Überdruckventils 22. Der Schieber 27 nimmt eine Gleichgewichtsstellung ein, die einerseits von der" Lage des Stellmotors 3 und der davon abhängigen Zusammendrückung der Feder 28 und andererseits von der Kraft P1 abhängig ist, welche gleich der Größe der Stirnfläche 30 mal dem Druck ρ im Rückführkreis 21 ist. Da dieser Druck ρ durch das Überdruckventil 22 eingestellt wird, ist dieser Druck ein genaues Maß für die Lage des Stellmotors 3.

Das Steuerventil 2 besitzt einen Kolben 32, der auf der einen Seite durch eine Feder 33 belastet ist, die sich an einem Stützkolben 34 abstützt, welcher mit Hilfe eines Betätigungsorgans 35 axial verstellt werden kann. Auf der anderen Seite des Kolbens 32 wirkt eine Kraft P2, welche gleich der Größe der Stirnfläche 36 mal dem Druck ρ ist. Infolgedessen wird die Lage des Stellmotors 3 als Druck ρ auf das Steuerventil 2 zurückgeführt.

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Hinter dem Stützkolben 29 befindet sich ein Kompensationsraum 37, hinter dem Stützkolben 34 ein Kompensationsraum 38. Beide sind über eine Kompensationsleitung 39 mit dem Rückstellkreis verbunden, um Rückwirkungen des Rückstelldrucks ρ auf die Lage des Stellmotors oder des Betätigungsorgans auszuschließen.

Die Motoranschlüsse 18 und 19 des Steuerventils 2 gehen von Ringnuten 39 und 40 aus. Der Kolben besitzt zwei Bunde 41 und 42, welche zwei zulaufseitige Ringnuten 43 und 44 von einer ablaufseitigen Ringnut 45 am Kolben trennen. Infolgedessen ergeben sich jeweils zwei in Reihe geschaltete Drosseln A und B bzw. G und D, von denen sich bei einer Verstellung des Kolbens die Drosseln A und D gemeinsam in einem Sinn und die Drosseln B und C gemeinsam im anderen Sinn ändern.

Das Betätigungsorgan 35 ist mit einer Handpumpe 46 verbunden, die einen Zylinder 47, einen Kolben 48 und eine Kolbenstange 49 aufweist. Der eine Druckraum 50 ist mit einem Punkt 51 zwischen den Rückschlagventilen 6 und 7, der andere Druckraum 52 mit einem Punkt 53 zwischen den Rückschlagventilen 8 und 9 verbunden. Außerdem ist die Druckseite 5 der Druckmittelquelle 1 über ein Rückschlagventil 54 mit dem Tank 4 verbunden.

Mit dieser Anordnung ergibt sich die folgende Betriebsweise.

Wenn im Normalbetrieb der Stellmotor 3 um den Weg x1 verlagert wird, ergibt sich eine entsprechende Zusammendrückung der Feder 28. Dies führt zu einer Gleichgewichtsstellung des Schiebers 27, bei der

P1 = C1 . x1

wobei C1 die Federkonstante der Feder 28 ist. Da sich das Überdruckventil 22 in diese Gleichgewichtslage einstellt, herrscht im Rückführkreis 21 ein/Kraft P1 proportionaler Rückführdruck p. Wenn man die Verstellung des Betätigungsorgans mit x2

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bezeichnet, ergibt sich auch eine Gleichgewichtslage des Kolbens

32 des Steuerventils 2 nach der Regel

P2 = C2 · x2
wobei C2 die Federkonstante der Feder 30 ist.

Wird die Kolbenstange 49 durch das Betätigungsorgan 35 um ein Stück nach links verschoben, steigt der Druck am Motoranschluß 19, während der Druck am Motoranschluß 18 abfällt. Infolgedessen verschiebt sich der Kolben des Servomotors 3 nach links* Dies führt zu einer Züsammendrückung der Feder 28 und zu einer Erhöhung des Rückführdrucks ρ. Hierduch wird der Kolben 32 des Steuerventils 2 gegen die Kraft der Feder 33 wieder in die Mittellage zurückgeführt. Entsprechendes gilt für eine Verstellung des Betätigungsorgans 35 nach rechts. Die Wegänderungen richten sich nach dem Übersetzungsverhältnis der Anlage. In dieses Übersetzungsverhältnis gehen die Federkonstanten der Federn 28 und

33 sowie die Größen der Stirnflächen 30 und 36 ein. Irgendwelche Leckverluste im Rückführkreis 21 sind hierbei ohne Bedeutung.

Wenn ^etzt angenommen wird, daß von außen auf den Stellmotor eine Störkraft S wirkt , so wird die Kolbenstaige 13 etwas nach links verschoben. Infolgedessen steigt der Rückführdruck ρ und verschiebt den Kolben 32 etwas nach rechts* Dies hat zur Folge, daß der Druck im Arbeitsraum 14 ansteigt, bis die Störkraft S ausgeglichen ist. Wenn hierbei ein Lecken längs des Kolbens erfolgt^ ist dies ohne Bedeutung, weil die Druckmittelquelle 1 entsprechende Flüssigkeit nachliefert und der Rückführdruck ρ hierdurch nicht beeinträchtigt wird. Wenn das Betätigungsorgan 35 verstellt wird und gleichzeitig eine Störkraft S wirkt, so überlagern sich die beiden zuvor beschriebenen Funktionen in sinnrichtiger Weise.

Bei einer Verstellung des Stellmotors 3 teilt sich die geförderte Druckmittelmenge auf in einen Teil, der direkt über die

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Drosseln zur Abflußseite 20 führt und einen anderen Teil, der über den Stellmotor zur Abflußseite führt. Auf jeden Fall steht im Rückführkreis 21 genügend Druckmittel zur Erzeugung des Rückführdrucks ρ zur Verfügung.

Die Bewegung des Betätigungsorgans 35 ist durch die Handpumpe 46 unterstützt. Wenn nämlich der Kolben 48 verschoben wird, liefert die Druckmittelquelle 1 auf der Saugseite Flüssigkeit nach, während die druckseitige Druckflüssigkeit der Handpumpe 46 zur Druckseite 10 des Steuerventils 2 gelangt. Erst wenn das Betätigungsorgan 35 mit so hoher Geschwindigkeit bewegt wird, daß die von der Druckmittelquelle 1 zur Verfügung gestellte Druckflüssigkeitsmenge nicht mehr ausreicht, wird die Handpumpe 46 belastet und am Betätigungsorgan 35 ist ein erhöhter Widerstand zu spüren. Hierdurch bekommt beispielsweise der Lenker eines Fahrzeugs eine wichtige Information darüber, daß das System zu schnell verstellt wird. Wenn nämlich die Handpumpe beispielsweise bei einer Verstellung nach rechts eine größere Druckflüssigkeitsmenge verdrängt als die Druckmittelquelle 1 liefern kann, sinkt der Druck am Punkt 5 und im Arbeitsraum 50, während der Druck im Arbeitsraum 52 auf einem durch die äußere Belastung des Systems vorgegebenen Druck gehalten wird. Deshalb sind die Rückschlagventile 7 und 8 in dieser Situation geschlossen. Sinkt hierbei der Druck am Punkt 5 unter den Tankäruck, so wird Druckflüssigkeit über das Rückschlagventil 54 nachgesaugt.

Ein Sonderfall des zuletzt betrachteten Betriebs ist die Notsteuerung, wenn nämlich die Druckmittelquelle 1 überhaupt keine Druckflüssigkeit mehr liefert. Die Handpumpe 46 schafft nun die gesamte Leistung. Es wird Druckflüssigkeit über das Rückschlagventil 54 angesaugt und über das Rückschlagventil 7 bzw. 9 abgegeben. Damit der Rückführkreis in dieser Situation korrekt funktioniert, sollte die Handpumpe eine solche Flüssigfceitsmenge verdrängen, die wenigstens so groß ist wie die Flüssigkeitsmenge, welche den Kolben 12 des Stellmotors 3 verdrängen

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soll. Auf diese Weise läßt sich auch im Notbetrieb zumindest annähernd die Rückführ-Steuerung aufrecht erhalten.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Stelleinrichtung in Verbindung mit Translationsbewegungen beschrieben. Es können aber auch Konstruktionen benutzt werden, bei denen Rotationsbewegungen oder Kombinationen von Rotation und Translation auftreten. Beispielsweise kann der Stellmotor auf die Spurstange einer Lenkvorrichtung wirken und das Überdruckventil 22 ist auf dem zugehörigen Drehzapfen angebracht, so daß die Verstellung als Drehung abgeführt wird.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Rückführkreis 21 parallel zum Arbeitskreis 1 anzuordnen, also schon an der Druckseite des Steuerventils 2 abzweigen zu lassen. Außerdem kann auch der Rückführkreis 21 · mit einer eigenen Pumpe versorgt werden.

Die beschriebene Stellvorrichtung ist nicht nur für die Lenkung von Fahrzeugen bestimmt. Man kann auch eine driftfreie Rückstellung in anderen vollhydraulischen Systemen erzielen.

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Claims

Patentansprüche

HJ Hydrostatische Stelleinrichtung, insbesondere Lenkeinrichtung für Fahrzeuge, mit einem Arbeitskreis, der einen Stellmotor und ein hiermit über Motorleitungen verbundenes, von einem Betätigungsorgan verstellbares Steuerventil aufweist, und mit einer die Lage des Stellmotors unter Verwendung einer Druckmittelleitung nachbildenden Rückführvorrichtung, die im Gegensinn 2um Betätigungsorgan auf das Steuerventil wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan

(35) über eine Feder (33) auf das Steuerventil (2) und der Stellmotor (3) über eine Feder (28) auf ein Überdruckventil (22) wirken und daß die Rückführvorrichtung einen hydrostatischen Rückführkreis (21) aufweist, dessen Druck (p) durch das Überdruckventil bestimmt ist und auf eine Druckfläche

(36) de s Steuerventils wirkt.
2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkreis (21) und das Überdruckventil (22) zwischen die Zulaufseite (10) des Steuerventils (2) und den Tank (4) geschaltet ist.
3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkreis (21) und das Überdruckventil (22) zwischen die Ablaufseite (20) des Steuerventils (2) und den Tank (4) geschaltet ist.

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ORIGINAL INSPECTED
4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) zwischen Zu- und Ablauf zwei Reihenschaltungen von je zwei Drosseln (A, B; C, D) .aufweist, an deren Verbindungspunkten die Arbeitsleitungen (16, 17) abzweigen, wobei die Drosseln innerhalb jeder Reihenschaltung und die gleichartigen Drosseln jeder Reihenschaltung jeweils gegensinnig verstellbar sind.
5. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) einen Kolben (32) aufweist, der an der einen Stirnfläche von der zugehörigen Feder (33) belastet ist und dessen andere Stirnfläche (36) die dem Druck (p) im Rückführkreis (21) ausgesetzte Druckfläche bildet.
6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (28, 33) auf der dem Stellmotor (3) bzw, dem Betätigungsorgan (35) zugewandten Seite auf einem Stützkolben (29, 34) ruht, der einen mit dem Rückführkreis (21) verbundenen Kompensations-Druckraum (37, 38) begrenzt.
7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan(35) mit einer Handpumpe (46) verbunden ist, deren beide Anschlüsse über je ein zu einer Druckmittelquelle (1) hin öffnendes Rückschlagventil (6 bis 9) mit deren Druckseite und mit der Zuflußseite des Steuerventils (2) verbunden sind.
8. Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Handpumpe (46) pro Wegeinheit mindestens eine so große Druckflüssigkeitsmenge verdrängt wie der Stellmotor (3) pro Wegeinheit.

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9. Stelleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, daUrch gekennzeichnet, daß die Druckseite (5) der Druckmittelquelle (1) über ein Nachsaug-Rückschlagventil (54) mit dem Tank (4) verbunden ist.

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