DE4404535A1 - Lenkventil - Google Patents
LenkventilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Lenkventil zur Versorgung eines Stellgliedes mit
Hydraulikdruck, bestehend aus einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle,
einem Torsionsstab, der mit einem Ende mit der Eingangswelle und dem
anderen Ende mit der Ausgangswelle verbunden ist, einer die Eingangswelle
umgebenden Ventilhülse und einem Reaktionskolben, der relativ zur
Eingangswelle axial beweglich, aber drehfest angeordnet und über eine
elastische Drehmitnahme mit der Ventilhülse verbunden ist.
Lenkventile der vorstehend beschriebenen Gattung sind beispielsweise aus
der US-PS 48 19 545 bekannt. Eine mit einer Lenkstange verbundene
Eingangswelle ist über einen Torsionsstab mit einer mit einem Ritzel
versehenen Ausgangswelle verbunden. Das Ritzel wirkt auf die Zahnstange
einer Lenkung. Für derartige Lenksysteme ist die Verwendung von
Lenkventilen bekannt. Dazu ist in bekannter Weise eine Ventilhülse
vorgesehen, welche mit der Ausgangswelle in Eingriff steht und die
Eingangswelle umgibt. Von einer Pumpe wird Hydraulikflüssigkeit unter Druck
durch das System gepumpt. Bei einer relativen Verdrehung der Eingangswelle
zur Ventilhülse wird Hydraulikdruck einem Hydraulikmotor zugeführt, welcher
die Zahnstangenbewegung in eine der beiden möglichen Richtungen
unterstützt. Ein mit einer Druckfeder beaufschlagter Reaktionskolben wird
geschwindigkeitsabhängig mit Hydraulikdruck beaufschlagt, wodurch das zu
überwindende Drehmoment zur Verdrehung der Eingangswelle relativ zur
Ventilhülse geschwindigkeitsabhängig variiert wird. Derartige vorbekannte
Reaktionskolben sind drehfest gegenüber der Eingangswelle mittels Kugeln
fixiert, die in auf der Eingangswelle angeordneten Längsnuten geführt
werden. Weiterhin ist der Reaktionskolben durch eine Druckfeder in Richtung
Ventilhülse vorgespannt. An der zum Reaktionskolben weisenden Stirnfläche
der Ventilhülse ist ein sogenannter Erweiterungskolben angeordnet, der
zusammen mit der gegenüberliegenden Stirnfläche des Reaktionskolbens eine
elastische Drehmitnahme bildet. Zu diesem Zweck sind an den sich
gegenüberliegenden Stirnflächen des Erweiterungskolbens und des
Reaktionskolbens V-förmige Nuten angeordnet, in welche Kugeln eingesetzt
sind. Wird auf die Eingangswelle ein Drehmoment aufgebracht, wird dieses
über den Reaktionskolben und die elastische Drehmitnahme auf die
Ventilhülse übertragen. Durch die in den V-förmigen Nuten angeordneten
Kugeln der elastischen Drehmitnahme, Kugelkupplung genannt, wird das
Drehmoment in eine axiale Kraft umgesetzt, welche gegen die Federkraft der
den Reaktionskolben beaufschlagenden Feder wirkt. Sobald diese von der
Kugelkupplung erzeugte Axialkraft die gegenwirkende Federkraft übersteigt,
wird der Reaktionskolben von der Ventilhülse axial wegbewegt und eine
relative Verdrehung zwischen Eingangswelle und Ventilhülse ermöglicht. Eine
Variation des Drehmomentes kann dadurch erzeugt werden, daß ein
einstellbarer Hydraulikdruck auf die der Feder gegenüberliegende Seite des
Reaktionskolbens gebracht wird. Derartige Servolenkventile werden
Parameterventil genannt.
Ein Nachteil herkömmlicher Parameterventile besteht in der unzulänglichen
Kopplung zwischen Eingangswelle und Reaktionskolben. Zum einen muß die
Eingangswelle mit Längsnuten versehen werden, was eine mechanische
Schwächung und einen großen Herstellungsaufwand bedeutet. Die eine
Axialbewegung des Reaktionskolbens gegenüber der Eingangswelle
erlaubende, eine relative Verdrehung des Reaktionskolbens gegenüber der
Eingangswelle jedoch verhindernde Nuten-/Kugelanordnung ist praktisch nicht
ohne Spiel herstellbar. Dieses Spiel wird von der Bedienperson auch als
Lenkradspiel wahrgenommen und als nachteilig angesehen. Diese Anordnung
unterliegt darüber hinaus erheblichen Reibungskräften, so daß das Spiel mit
der Zeit auch vergrößert wird. Bei starker Bewegung des Ventils,
beispielsweise bei schlechter Fahrbahn, neigen die vorgenannten
Parameterventile aufgrund dieser Nuten-/Kugelanordnung zu unangenehmen
und verunsichernden Klappergeräuschen. Schließlich ist es notwendig, wegen
der in der Eingangswelle angeordneten Längsnuten den
reaktionskolbenseitigen Lenkventilbereich hydraulisch abzudichten. Derartige
Abdichtungen werden "Upper Seal" genannt und stellen mit zunehmender
Standzeit ein Ausfallrisiko des Lenkventils dar.
Da die den Reaktionskolben beaufschlagende Spiralfeder gegen die
Eingangswelle an einem Sicherungsring abgestützt wird, hängt die sich
ergebende Reaktionskolbenvorspannung von der Qualität der
Ventilvormontage ab. Es entsteht eine unerwünschte Streubreite der
einzustellenden Federvorspannung. Wegen der Verwendung der Spiralfeder
ist darüber hinaus die Federkraft gegen die Reaktionskolben nicht
konzentrisch. Es ergeben sich somit Verschränkungen des Ventils, die sich in
Form von Reibung gegen die Eingangswelle bis hin zu Hysteresisproblemen
auswirken.
Am Ende der Montage eines herkömmlichen Parameterventils wird dieses
dadurch balanciert, das heißt die Teile relativ zueinander endgültig
positioniert, daß im letzten Arbeitsschritt der Verlängerungskolben relativ zum
Ventilhülsenende beispielsweise durch Verpressen fixiert wird. Selbst geringe
Fehler bei diesem Vorgehen führen zu Balancierungsfehlern, die zu einer
Lenkventilfehlfunktion führen können.
Ein besonderes Problem herkömmlicher Parameterventile ergibt sich dadurch,
daß die Kugelnuten in den Erweiterungskolben und Reaktionskolben aus
Gründen der wirtschaftlichen Bearbeitung regelmäßig paarweise
beispielsweise durch Einsägen hergestellt wurden. Durch die paarweise
Anordnung werden beispielsweise Kugelkupplungen mit vier Kugeln
verwendet, wodurch eine ungünstige Lastaufteilung bewirkt wird.
Insgesamt sind herkömmliche Parameterventile mit einem hohen Fertigungs-
und Bauteilaufwand verbunden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Lenkventil der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß die
oben genannten Nachteile vermieden werden und das Lenkventil
wirtschaftlicher herstell- und montierbar, praktisch wartungsfrei und
störungsunanfällig ist.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird das gattungsgemäße
Lenkventil dadurch verbessert, daß in dem Lenkventil ein torsionssteifes, in
Axialrichtung elastisches Element angeordnet ist, welches mit einem Ende an
der Eingangswelle und mit seinem anderen Ende an dem Reaktionskolben
befestigt ist.
Durch die Verwendung eines torsionssteifen, axialelastischen Elementes ist es
nicht mehr erforderlich, mittels einer Nuten-/Kugelanordnung den
Reaktionskolben axialverschieblich, aber drehfest relativ zur Eingangswelle
anzuordnen. Dadurch fallen die Nachteile im Zusammenhang mit dem Spiel,
die Reibung sowie die Klappergeräusche und dergleichen weg. Da die
gesamte Nuten-/Kugelanordnung entfällt, werden weder der
Bearbeitungsvorgang hinsichtlich der Eingangswelle und die damit verbundene
Materialschwächung noch die Kugelbauteilgruppe benötigt, wodurch das
erfindungsgemäße Ventil erheblich wirtschaftlicher wird. Durch die direkte
Befestigung des torsionssteifen, axialelastischen Elementes an der
Eingangswelle und an dem Reaktionskolben wird das Kupplungselement völlig
spiel- und reibungsfrei. Die direkte Befestigung bewirkt auch, daß die
Federkraft durch axiale Verschiebung des elastischen Elementes bei der
Endmontage exakt festgelegt werden kann. Darüber hinaus ist bei diesem
Vorgang auch eine exakte Balancierung möglich, ohne daß radial zueinander
beweglich Bauteile gegeneinander verpreßt werden müssen.
In vorteilhafter Weise ist das elastische Element ein blatt- bzw.
plattenförmiges Federelement. Alternativ kann auch eine torsionssteife
Spiralfeder verwendet werden. In besonders vorteilhafter Weise wird als
elastisches Element ein Metallfaltenbalg vorgeschlagen. Dieser ist ein
kostengünstiges Bauteil, welches leicht am Reaktionskolben und an der
Eingangswelle befestigt werden kann, absolut torsionssteif und damit spielfrei
ist und darüber hinaus eine Upper Seal verzichtbar macht.
Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung ist das elastische Element
an der Eingangswelle und/oder an dem Reaktionskolben angeschweißt.
Gemäß einem Vorteil der Erfindung kann zwischen elastischem Element und
der Eingangswelle ein Lagerring befestigt sein.
In vorteilhafter Weise umfaßt die Kugelkupplung zwischen Reaktionskolben
und Ventilhülse gesinterte Kupplungsringe. Die Herstellung der
Kupplungsringe als Sinterbauteile ermöglicht die Herstellung von
Kupplungsringen mit jeweils drei Kugelaufnahmevertiefungen, wodurch eine
verbesserte axiale Lastaufteilung ermöglicht wird. Da die drei Kugeln immer
im Eingriff sind, wird die Klapperneigung dieser Kugeln verringert. Es können
darüber hinaus durch den Sintervorgang auch größere
Kugelaufnahmevertiefungen vorgesehen werden, so daß vergrößerte Kugeln
verwendet werden können und sogar die Verwendung eines Kugelkäfigs
ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Lenkventil ist wegen erheblich verringerter
Bearbeitungsmaßnahmen und einem erheblich verringerten Bauteileaufwand
gegenüber herkömmlichen Parameterventilen sehr wirtschaftlich herstellbar.
Darüber hinaus ist es einfacher zu montieren und zu balancieren, wobei
gleichzeitig eine exakte Einstellbarkeit ermöglicht ist. Alle funktionalen
Nachteile sind mit einfachsten Mitteln behoben. Herkömmliche
Produktionslinien müssen nicht übermäßig verändert werden, da sich die
Raumbedarfbedingungen am Ventil praktisch nicht verändern.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine teilgeschnittene schematische Darstellung eines aus dem Stand
der Technik bekannten Lenkventils und
Fig. 2 eine teilgeschnittene schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Lenkventil.
Nur zu Erläuterungszwecken soll das in Fig. 1 gezeigte, aus dem Stand der
Technik bekannte Lenkventil beschrieben werden. In den beiden Figuren sind
gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das aus dem Stand bekannte Lenkventil 1 umfaßt eine Eingangswelle 2, eine
Ausgangswelle 3 sowie einen Torsionsstab 4, welcher mit seinen beiden
Enden mit jeweils einer der beiden Wellen verbunden ist. Eine Ventilhülse 5
umgibt die Eingangswelle 2. Die beschriebene Anordnung ist mittels Lagern 6
in einem Gehäuse angeordnet. Die Ausgangswelle 3 umfaßt ein Ritzel 7,
welches mit einer nicht gezeigten Lenkstange einer Lenkung in Verbindung
steht. Oberhalb der Ventilhülse 5 ist ein Reaktionskolben 8 angeordnet,
welcher gegenüber der Eingangswelle 2 axial beweglich aber verdrehfest
angeordnet ist. Zu diesem Zwecke weist die Eingangswelle 2 Längsnuten 15
auf, in welchen Kugeln 16 angeordnet sind. In entsprechenden Ausnahmen
an der Ringinnenfläche des Reaktionskolbens sind diese Kugeln
gegengelagert. Der Reaktionskolben 8 kann also relativ zur Eingangswelle 2
nicht verdreht werden, wohl aber im Rahmen der Kugelbeweglichkeit
innerhalb der Längsnut 15 axial verschoben werden. Der Reaktionskolben 8
ist mittels einer Spiralfeder 17 gegen die Ventilhülse 5 vorgespannt, wobei die
Spiralfeder 17 an ihrem dem Reaktionskolben 8 entgegengesetzten Ende
mittels eines Sicherungsringes 18 an der Eingangswelle axial fixiert ist.
Zwischen dem Reaktionskolben 8 und der Ventilhülse 5 ist eine elastische
Drehmitnahme in Form einer Kugelkupplung angeordnet. Zu diesem Zwecke
ist an der Ventilhülse 5 ein Erweiterungskolben 19 angeordnet, welcher an
seiner dem Reaktionskolben zugewandten Stirnfläche
Kugelaufnahmevertiefungen aufweist, die mit Kugelaufnahmevertiefungen in
der gegenüberliegenden Stirnfläche des Reaktionskolbens 8 zur Aufnahme
von Kugeln zusammenwirken. Da der über dem Reaktionskolben 8 liegende
Raum mit Hydraulikdruck beaufschlagt wird, ist eine Abdichtung dieses
Druckraumes durch die sogenannte Upper Seal 21 erforderlich. Wird auf die
Eingangswelle 2 ein Drehmoment aufgebracht, so wird dieses über den durch
Federkraft und Hydraulikdruck beaufschlagten Reaktionskolben 8 und die
Kugelkupplung auf die Ventilhülse übertragen. Gleichzeitig wird durch die
Kugelkupplung eine den Reaktionskolben gegen die Federkraft und den
Hydraulikdruck bewegende Kraft ausgeübt, welche ab einem vorgegebenen
Drehmoment größer wird als die beiden genannten Kräfte, so daß eine relative
Verdrehung der Eingangswelle 2 zur Ventilhülse 5 durch die getrennte
Kugelkupplung möglich wird. Das sich negativ auswirkende Spiel wird zum
einen durch die in den Längsnuten 15 beweglichen Kugeln 16, zum anderen
durch die in der zwischen Reaktionskolben 8 und Erweiterungskolben 19
gebildeten Kugelkupplung verwendeten Kugeln bewirkt. Die Eingangswelle
wird durch die Längsnuten 15 und den Einstich zur Aufnahme des
Sicherungsrings 18 mechanisch geschwächt.
Der Prinzipaufbau des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels für ein
erfindungsgemäßes Lenkventil entspricht dem eben beschriebenen Aufbau.
Das Lenkventil 1 umfaßt eine Eingangswelle 2, eine Ausgangswelle 3, die
durch den Torsionsstab 4 miteinander verbunden sind, und die Ventilhülse 5,
die die Eingangswelle 2 umgibt. Diese Bauteile sind mittels Lagern 6 in einem
Gehäuse angeordnet. Das Ritzel 7 der Ausgangswelle 3 dient zum Antrieb
einer nicht gezeigten zur Lenkung gehörigen Zahnstange. Der federkraft- und
druckbeaufschlagte Reaktionskolben 8 wirkt über eine Kugelkupplung 9 mit
der Ventilhülse 5 zusammen. An den Stirnflächen 10 des Reaktionskolbens
und 11 der Ventilhülse sind Kugelaufnahmevertiefungen zur Aufnahme der
Kugeln 12 angeordnet. Die Funktion der Kugelkupplung entspricht der eben
beschriebenen Funktion. Der feder- und/oder druckbelastete Reaktionskolben
8 wird in Richtung Ventilhülse gedrückt, so daß die Kugeln in den
Aufnahmevertiefungen fest ein liegen. Bei Aufbringen eines Drehmomentes auf
den Reaktionskolben bewegen sich die Kugeln in den im wesentlichen V-
förmigen Aufnahmevertiefungen und drücken den Reaktionskolben gegen die
auf ihn wirkenden Kräfte von der Ventilhülse weg, bis es zu einer
entsprechenden Verdrehung der Eingangswelle relativ zur Ventilhülse kommt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der ventilhülsenseitige
Kugelkupplungsring einstückig an der Stirnfläche der Ventilhülse 5
ausgebildet.
Ein als torsionssteifes, axialelastisches Element eingesetzter Metallfaltenbalg
13 ist an der Fixierstelle 14 an der Eingangswelle 2 befestigt. Mit seinem
anderen Ende ist der Metallfaltenbalg 13 am Reaktionskolben 8 befestigt.
Somit ist keine Upper Seal erforderlich. Darüber hinaus wird die
Eingangswelle 2 weder durch Längsnuten noch durch eine Nut für einen
Sicherungsring geschwächt. Die gezeigte Anordnung ist absolut spielfrei und
insbesondere einstellbar. Nach dem Zusammenbau der Einzelteile kann die auf
den Reaktionskolben 8 wirkende, und vom Metallfaltenbalg 13 aufgebrachte
Federkraft durch Vorspannen des Metallfaltenbalgs exakt bestimmt werden.
Anschließend wird der Metallfaltenbalg 13 an der Fixierstelle 14 an der
Eingangswelle 2 befestigt. Eine Vielzahl von Bearbeitungs- und
Montagevorgängen entfallen, ebenso wie eine Vielzahl von Bauteilen.
Bezugszeichenliste
1 Lenkventil
2 Eingangswelle
3 Ausgangswelle
4 Torsionsstab
5 Ventilhülse
6 Lager
7 Ritzel
8 Reaktionskolben
9 Kugelkupplung
10 Stirnfläche
11 Stirnfläche
12 Kugel
13 Metallfaltenbalg
14 Fixierstelle
15 Längsnut
16 Kugel
17 Spiralfeder
18 Sicherungsring
19 Erweiterungskolben
20 Stirnfläche
21 Upper Seal
2 Eingangswelle
3 Ausgangswelle
4 Torsionsstab
5 Ventilhülse
6 Lager
7 Ritzel
8 Reaktionskolben
9 Kugelkupplung
10 Stirnfläche
11 Stirnfläche
12 Kugel
13 Metallfaltenbalg
14 Fixierstelle
15 Längsnut
16 Kugel
17 Spiralfeder
18 Sicherungsring
19 Erweiterungskolben
20 Stirnfläche
21 Upper Seal
Claims (10)
1. Lenkventil zur Versorgung eines Stellgliedes mit Hydraulikdruck,
bestehend aus einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle, einem
Torsionsstab, der mit einem Ende mit der Eingangswelle und dem
anderen Ende mit der Ausgangswelle verbunden ist, einer die
Eingangswelle umgebenden Ventilhülse und einem Reaktionskolben, der
relativ zur Eingangswelle axial beweglich, aber drehfest angeordnet und
über eine elastische Drehmitnahme mit der Ventilhülse verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Lenkventil (1) ein torsionssteifes, in Axialrichtung elastisches
Element (13) angeordnet ist, welches mit einem Ende an der
Eingangswelle (2) und mit seinem anderen Ende am Reaktionskolben (8)
befestigt ist.
2. Lenkventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
elastische Element ein blatt- bzw. plattenförmiges Federelement ist.
3. Lenkventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
elastische Element eine torsionssteife Spiralfeder ist.
4. Lenkventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
elastische Element ein Metallfaltenbalg (13) ist.
5. Lenkventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das elastische Element (13) an der Eingangswelle
(2) und/oder dem Reaktionskolben (8) angeschweißt ist.
6. Lenkventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das elastische Element an der Eingangswelle (2) mittels eines
Lagerringes befestigt ist.
7. Lenkventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die elastische Drehmitnahme eine Kugelkupplung
(9) ist.
8. Lenkventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kugelkupplung (9) gesinterte Kupplungsringe umfaßt.
9. Lenkventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kupplungsringe drei Kugelaufnahmevertiefungen aufweisen, die in
gleichen Winkelabständen zueinander auf der Kupplungsringstirnfläche
angeordnet sind.
10. Lenkventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kupplungsring einstückig mit der Ventilhülse (5) an deren
Stirnfläche ausgebildet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |