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'Servolenkung für Kraftfahrzeuge mit
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Mitteln zur stufenweisen Begrenzung eines durch Reaktionsdruckkräfte
an einem Handlenkrad fühlbar gemachten Handlenkmomentes" Die Erfindung bezient sich
auf eine Servolenkung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Bei einer bekannten Servolenkung dieser Art (DE-OS 20 09 574) sind
in dem Reaktionsdruckzylinder mehrere konzentrisch ineinander geschachtelte Reaktionskolben
mit in bezug auf die Lenkhebelmomente unterschiedlichen Arbeitsbereichen angeordnet.
Zur gegenseitigen druckfesten Führung der Reaktionskolben bedarf es komplizierter
Läpparbeiten.
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Bei einer weiteren bekannten Servolenkung nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1 (DE-OS 27 10 849) ist im Reaktionsdruckzylinder ein einzelner Reaktionskolben
angeordnet, an dem über den Kolbenhub eine oder mehrere
Reduzierfedern
stufenweise zur Anlage kommen, die sich jeweils ihrerseits an einem zum Reaktionsdruckzylinder
bewegungsfesten Widerlager aufstützen. Dadurch arbeiten die Reduzierfedern dem Reaktionsdruck
entgegen, also im Sinne einer Reduzierung des Anstieges der Kurve des Handlenkmomentes
bei steigenden Lenkhebelmomenten. Aufgrund der eingeschränkten Raumverhältnisse
insbesondere bei sogenannten Blocklenkungen, bei denen der Servomotor in ein Lenkgetriebe
integriert ist, stehen für die Bemessung der Reaktionskolben und ihrer Mittel zur
Begrenzung der Handlenkmomente nur kleine Flächenquerschnitte zur Verfügung, so
daß sich Federn zur Reduzierung des Anstieges der Handlenkmoment-Kurve nur bei relativ
niedrigen Lenkhebelmomenten eignen.
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Bei einer bekannten gattungsfremden Servolenkung (DE-AS 24 03 006)
bestehen die Mittel zur Begrenzung des Handlenkmomentes lediglich aus einem im Reaktionskolben
angeordneten Überdruckventil, das in Richtung der an eine Arbeitsdruckkammer des
Servomotores angeschlossenen Reaktionsdruckkammer öffnet und dadurch eine Verbindung
zu einer unter Arbeitsdruck stehenden Gehäusekammer herstellt, wenn die Arbeitsdruckkammer
beim Einschlagen des Handlenkrades mit der druckentlasteten Rücklaufleitung verbunden
ist und der Arbeitsdruck einen der Vorspannung der Ventilfeder des Überdruckventiles
entsprechenden Wert erreicht. Im Gegensatz zu gattungsgemäßen Servolenkungen wird
bei dieser bekannten Servolenkung demnach nur ein solcher Kurvenverlauf für das
Handlenkmoment erzielt, bei dem ein einzelner steiler Kurvenast durch einen beim
Öffnen
des Überdruckventiles sich ergebenden Knick in einen etwa abszissenparallelen Kurvenast
mit einem konstant bleibenden Handlenkmomentwert übergeht. Eine derartige Kurvencharakteristik
ist aber nicht geeignet, wenn man den Kurvenübergang zum abszissenparallen Kurvenverlauf
in den Bereich höherer Lenkhebelmomente verlegen will, wie dies z.B. bei Nutzfahrzeugen
erwünscht sein kann.
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Die letztgenannte Kurvencharakteristik mit jeweils einem einzelnen
Kurvenknick ist auch einer weiteren gattungsfremden bekannten Servolenkung (DE-OS
32 20 922) eigen , bei der ein den Arbeitsdruck einstellender Steuerschieber mit
seinen Stirnseiten in je einer Reaktionsdruckkammer des Ventilgehäuses arbeitet
und die Reaktionsdruckkammern sowohl über je eine nicht abschaltbare Konstantdrossel
an eine Reaktionsdruck-Kurzschlußleitung als auch über je ein in Richtung Reaktionsdruckkammer
öffnendes Rückschlagventil an eine Arbeitsdruckkammer des Servomotores angeschlossen
sind.
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Von der Kurzschlußleitung geht eine letztlich in den Vorratsbehälter
ausmündende Steuerleitung mit einem bei steigender Fahrgeschwindigkeit einen Anstieg
des Druckes in der jeweiligen Reaktionsdruckkammer veranlassenden Steuerventil aus,die
noch ein dem Steuerventil vorgeschaltetes gesteuertes Druckbegrenzungsventil für
den abszissenparallelen Kurvenast der Kurve des Handlenkmomentes aufweist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesentlichen
darin, eine Servolenkung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung
zu schaffen,
bei der der Beginn des abszissenparallelen Verlaufes
mit konstant bleibendem Wert des Handlenkmomentes in den Bereich höherer Lenkhebelmomente
gelegt werden kann, ohne daß die für den Reaktionskolben bei bekannten gattungsbildenden
Servolenkungen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche vergrößert werden muß.
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Die erläuterte Aufgabe ist gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise
mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen
in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles. In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 Eine schematische Darstellung
der wesentlichsten lenkgetriebetechnischen Merkmale zusammen mit einem hydraulischen
Schaltplan einer Servolenkung nach der Erfindung unter Verwendung eines die Drehachse
einer Lenkschnecke enthaltenden Axialschnittes (Fig. 1a) und eines die Längsachse
eines Steuerschieber-Ventiles enthaltenden Querschnittes (Fig. 1b) gemäß Linie Ib-Ib
von Fig, la, Fig. 2 einen Ausschnitt der Fig. 1b in vergrößertem Maßstab mit einer
durch einen Rechtseinschlag gemäß Pfeilrichtung II des Handlenkrades ausgelösten
Stellung des Steuerschiebers,
Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden
Ausschnitt mit einer stärker ausgelenkten Stellung des Steuerschiebers, Fig. 4 einen
der Fig. 3 entsprechenden Ausschnitt mit einer noch stärker ausgelenkten Stellung
des Steuerschiebers, Fig. 5 ein Diagramm mit dem über dem äußeren Lenkhebelmoment
aufgetragenen Handlenkmoment, und Fig. 6 einen der Fig. 2 entsprechenden Ausschnitt
mit einer durch einen von den gelenkten Fahrzeugrädern her über die Lenkstockhebelwelle
und die Lenkmutter auf das Steuerlineal übertragenen Stoß ausgelösten Stellung des
Steuerschiebers.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Servolenkung 7 nach der Erfindung
mit einem Lenkgetriebegehäuse 40 versehen, das mit einem Arbeitszylinder 41 für
einen Arbeitskolben 42 einteilig ausgebildet ist. Der Arbeitskolben 42 unterteilt
den Arbeitszylinder 41 in zwei Arbeitdruckkammern 43 und 44,die jeweils über einen
Druckkanal 62 bzw. 64 mit einem Steuerschieber-Ventil 53 verbunden sind. Der Arbeitskolben
42 weist in Richtung der Drehachse 39-39 einer Lenkschnecke 9 einen im Lenkgetriebegehäuse
40 ge-
führten Zahnstangenabschnitt 45 auf, der an seinem Umfang
mit einem Zahnstangenprofil 46 versehen ist, das mit einem Zahnsegment 47 einer
Lenkhebelwelle 48 zusammenarbeitet, die mit ihrer Achse senkrecht zur Drehachse
39-39 im Lenkgetriebegehäuse 40 drehbar und axial unverschiebbar gelagert ist. Die
Lenkschnecke 9 ist mittels einer Wälzlageranordnung 54 im Lenkgetriebegehäuse drehbar
und axial unverschiebbar abgestützt, wobei ein aus dem Lenkgetriebegehäuse herausragender
Kupplungszapfen 55 der Lenkschnecke 9 zur drehfesten Verbindung mittels einer Lenkungskupplung
mit dem Handlenkrad verwendet ist. An ihrem gehäuseinneren Ende ist die Lenkschnecke
9 mittels eines Kugelumlaufes 65 mit einer Lenkmutter 49 schraubbeweglich verbunden,
welche im Arbeitskolben 42 drehbeweglich - jedoch axial unverschiebbar gelagert
ist. Die Anordnung aus Lenkmutter 49 und zugehörigen Wälzlagern sitzt in einer radialen
Ausnehmung 66 des Arbeitskolbens 42. Ein zur Lenkmutter 49 einteiliges Steuerlineal
50 arbeitet als einarmiger Hebel auf einen Steuerschieber 51 des Steuerschieber-Ventiles
53, dessen Ventilgehäuse 52 als Ausbuchtung mit dem Lenkgetriebegehäuse 40 einteilig
ausgebildet ist. Der Steuerschieber 51 arbeitet in einer Ventilbohrung 67 des Ventilgehäuses
52, die mit Ventilanschlüssen 56 bis 61 und 63 versehen ist.
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Während der Ventilanschluß 56 mit einer Druckleitung 19 verbunden
ist, in die eine ständig vom Antriebsmotor des Kraftfahrzeuges angetriebene Lenkhelfpumpe
20 fördert, welche das hydraulische Betriebsmittel aus einem Vorratsbehälter 31
ansaugt - stehen die Ventilanschlüsse 57,58 und 59 mit einer zum Vorratsbehälter
31 führenden Rück-
laufleitung 32 in Verbindung. Der Druckkanal
62 der Arbeitsdruckkammer 43 ist an die Ventilanschlüsse 60 und 61 angeschlossen.
Dagegen steht der Druckkanal 64 der Arbeitsdruckkammer 44 mit dem Ventilanschluß
63 in Verbindung. Der Steuerschieber 51 arbeitet nach dem Prinzip der offenen Mitte
mit vier Steuerkanten 68 bis 71, von denen die beiden Steuerkanten 68 und 69 in
Zusammenarbeit mit dem Ventilanschluß 56 der Druckleitung 19 eine Drosselung bzw.
Erhöhung des wirksamen Arbeitsdruckes für die beiden Ventilanschlüsse 61 und 63
der beiden Arbeitsdruckkammern 43 und 44 unter gleichzeitiger Drosselung bzw. Erhöhung
des Verbindungsquerschnittes zwischen dem Ventilanschluß 58 der Rücklaufleitung
32 einerseits und den beiden Ventilanschlüssen 60 und 63 der Arbeitsdruckkammer
43 bzw. 44 einstellen.
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Die Ventilanschlüsse 57 und 59 stehen jeweils mit einer vom jeweiligen
Stirnende 23 des Steuerschiebers 51 abgeschlossenen Gehäusekammer 24 in Verbindung.
Die beiden Enden des Steuerschiebers 51 sind als ein jeweiliger Reaktionsdruckzylinder
17 mit einer Reaktionsdruckkammer 16 verwendet, welche offen am jeweiligen Stirnende
23 des Steuerschiebers ausmündet. Im Reaktionsdruckzylinder 17 gleitet jeweils ein
hülsenförmiger Reaktionskolben 8, welcher an seinem inneren Ende vom Reaktionsdruck
der Reaktionsdruckkammer 16 beaufschlagt und mit seinem in der Gehäusekammer 24
liegenden Kolbenende 25 an einer gegenüberliegenden Gehäusewand 26 des Ventilgehäuses
52 starr abstützbar ist.
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Jeder Arbeitsdruckkammer 43 bzw. 44 ist eine der beiden
Reaktionsdruckkammern
16 dadurch zugeordnet, daß die Reaktionsdruckkammern 16 durch einen eine DrosseleinrIchtung
22 enthaltenden Druckkanal 21indem Ventilanschluß 61 der Arbeitsdruckkammer 43 bzw.
mit dem Ventilanschluß 63 der Arbeitsdruckkammer 44 verbunden sind.
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Auf diese Weise wird bei einem Rechtseinschlag des Handlenkrades gemäß
der Pfeilrichtung II in Fig. 1b die Drosselverbindung zwischen dem Ventilanschluß
56 der Druckleitung 19 und dem Ventilanschluß 61 der Arbeitsdruckkammer 43 mehr
oder weniger geöffnet - während die Drosselverbindung zwischen dem Ventilanschluß
60 der Arbeitsdruckkammer 43 und dem Ventil anschluß 58 der Rücklaufleitung 52 im
gleichen Maße gedrosselt wird.
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Gleichzeitig wird die Drosselverbindung zwischen dem Ventilanschluß
56 der Druckleitung 19 und dem Ventilanschluß 63 der anderen Arbeitsdruckkammer
44 mehr oder weniger gedrosselt. - dagegen die Drosselverbindung zwischen dem Ventilanschluß
58 der Rücklaufleitung 32 und dem Ventilanschluß 63 dieser anderen Arbeitsdruckkammer
44 mehr oder weniger geöffnet. Somit stellt der Steuerschieber 51 bei einem Rechtseinschlag
in der Arbeitsdruckkammer 43 einen höheren Arbeitsdruck ein als in der Arbeitsdruckkammer
44 - wodurch ein den Rechtseinschlag unterstützendes Lenkmoment vom Arbeitskolben
42 an der Lenkhebelwelle 48 erzeugt wird.
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Durch die Drosseleinrichtung 22 wird beim Einschlagen des Lenkhandrades
in der zugehörigen Reaktionsdruckkammer 16 ein zum jeweiligen Arbeitsdruck proportionaler
Reaktionsdruck erzeugt, welcher die benachbarte Kolben-
druckfläche
18 des Reaktionskolbens 8 beaufschlagt.
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Auf diese Weise wird am Steuerschieber eine Reaktionsdruckkraft wirksam,
die seinerAuslenkung durch das Handlenkrad entgegenwirkt und dadurch ein Handlenkmoment
fühlbar macht. In jedem der beiden Reaktionskolben 8 sind Mittel 10 zur Begrenzung
dieses Handlenkmomentes angeordnet. Diese Mittel 10 bestehen zunächst aus einem
wirkungsmäßig zwischen Reaktionsdruckkammer 16 und Gehäusekammer 24 eingeschaltetenüberdruckventil
27,das in Form eines federbelasteten Plattenventiles ausgebildet ist. In den Strömungsweg
28 zwischen Überdruckventil 27 und Gehäusekammer 24 sind zwei in Reihe geschaltete
Drosseln 29 und 30 angeordnet, die zu ihrer jeweiligen Abschaltung als federbelastete
Plattenventile mit einer in ihrer Ventilplatte 37 vorgesehen Drosselöffnung 38 ausgebildet
sind. Alle Ventilplatten öffnen in Richtung Gehäusekammer 24. Die Funktionsweise
dieser Mittel 10 zur Handkraftbegrenzung bzw. Begrenzung des Handlenkmomentes ergibt
sich aus Fig. 5. Danach ist die Lenkhebelmomenten-Achse die Abszisse 72 und die
Handlenkmomenten-Achse die Ordinate 73. Der mehrfach geknickte Verlauf der Kurve
11 für das Handlenkmoment MH über den Lenkhebelmoment ML ergibt sich wie folgt:
Bei von Null ausgehenden sehr niedrigen Lenkhebelmomenten ergibt sich ein sehr steiler
Verlauf gemäß der Geraden 74 bis zu einem Knickpunkt 79. Dieser sogenannte mechanische
Bereich des Handlenkmomentes ist ohne Servounterstützung, d.h., der Steuerschieber
51 ist durch eine sogenannte Grundlastfeder 83 (Fig. lb) in seiner Neutralstellung
für
Arbeitsdruck gleich Null gegenüber dem Ventilgehäuse 52 zentriert, so daß das Auslenken
der Lenkhebelwelle 48 rein mechanisch von Hand erfolgt. Ist die Vorspannkraft der
Zentrierfeder 83 überwunden, wird der Steuerschieber ausgelenkt und in der betreffenden
Reaktionsdruckkammer 16 ein Reaktionsdruck erzeugt, der den weiteren Verlauf 12
der Kurve 11 bis zum nächsten Knickpunkt 80 bestimmt. In diesem Punkt 80 der Kurve
11 ist die Vorspannung der Feder des Überdruckventiles 27 überwunden, wodurch das
Überdruckventil 27 öffnet und der weitere Anstieg 13 der Kurve 11 durch die Drosselcharakteristik
des Überdruckventiles 27 und der nachgeschalteten Drosseln 29 und 30 bestimmt ist.
Während die Steilheit des Anstieges im Kurvenbereich 12 durch die Gerade 75 bestimmt
ist, ist der Anstieg im Kurvenbereich 13 durch die Gerade 76 festgelegt. Der Kurvenbereich
13 endet im Knickpunkt 81, in welchem die Vorspannung der Ventilfeder der Drossel
29 überwunden ist, so daß der weitere Anstieg gemäß dem Kurvenabschnitt 14 durch
die weniger steile Gerade 77 wiedergegeben ist. Der Kurvenbereich 14 geht im Knickpunkt
82 - in welchem auch noch die Vorspannung der Ventilfeder der Ventilplatte 38 der
Drossel 30 überwunden ist - in den annähernd auf dem konstanten Wert 78 des Handlenkmomentes
bleibenden Kurvenverlauf 15 über.
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In Fig. 6 ist die Servolenkung in einer Stellung des Steuerschiebers
51 dargestellt, die sich ergibt, wenn von den Fahrzeugrädern her ein Stoß auf das
Steuerlineal 50 übertragen wird. Der Einfachheit halber ist hierbei
eine
in gleicher Weise gerichtete Auslenkung des Steuerschiebers 51 angenommen wie in
den Fig. 2 bis 4.
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Durch die beschriebene Auslenkung des Steuerschiebers führt der Reaktionskolben
8 einen Kompressionshub in bezug auf die Reaktionsdruckkammer 16 aus, so daß an
sich am Handlenkrad ein Stoß auftreten würde. Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist
die Drosseleinrichtung 22 abschaltbar, derart, daß die drei in Reihe geschalteten
Konstantdrosseln 34,33,36 in einem als Ventilschließglied arbeitenden Drosselkörper
angeordnet sind, welcher entgegen der Wirkung von schwachen Ventilfedern 84 in eine
Abschaltstellung öffnet, in welcher ein freier Durchgang 85 zwischen der Reaktionsdruckkammer
16 und dem zugehörigen Ventilanschluß der Arbeitsdruckkammer freigegeben ist. Die
Drosseln 33,34 und 36 haben an sich die Aufgabe, den Druckmittelabfluß über den
Reaktionskolben 8 zu begrenzen.
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