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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für eine Hilfskraft-Lenkungseinheit eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein eine Magnetspule verwendendes Hilfskraftventil ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 1 08 732/74 beschrieben, bei der ein mit seinem einen Ende mit der Nadel eines Nadel-Steuerventils verbundener Kolben in einem Zylinder aufgenommen ist, und um den Zylinder herum eine Magnetspule angeordnet ist. Ein der Geschwindigkeit des Kraftwagens entsprechender Strom wird auf die Spule gegeben, um den Kolben in axialer Richtung zu bewegen zum Zwecke der Steuerung des Flusses der Betriebsflüssigkeit in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Kraftwagens durch das Nadelsteuerventil hindurch zur Hilfskraft-Lenkungseinheit.
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Bei diesem Hilfskraftventil besteht der Kolben aus magnetischem Material und sein Außendurchmesser liegt eng benachbart zu dem Innendurchmesser des Zylinders, um den Kolben mit dem durch die Magnetspule erzeugten Magnetfluß eng zu koppeln. Außerdem besteht ein Teil des Zylinders ebenfalls aus magnetischem Material und ist so angeordnet, daß sein Ende eng benachbart zum Ende des Kolbens liegt. Zufolge des durch die Magnetspule erzeugten Magnetflusses bewegt sich der Kolben längs der Innenwandung des Zylinders in Abhängigkeit von dem Steuersignal. Aus diesem Grunde besteht zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Reibungswiderstand, wodurch bei Hin- und Herbewegung des Kolbens durch die Magnetspule und durch eine Rückstellfeder eine Hysteresis entsteht.
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Wenn ein elektromechanisches Stellglied verwendet wird mit einer derartigen Verschiebungs-Steuersignal-Charakteristik, ist es schwierig, eine lineare Steuerung zu erreichen wegen des Reibungswiderstandes zwischen dem Zylinder und dem Kolben. Außerdem ist die Größe der Verschiebung des Kolbens klein. Hierdurch ist der Anwendungsbereich des elektromechanischen Stellgliedes praktisch begrenzt auf die Verwendung als Ein-Aus-Steuerung.
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Wenn ein solches elektromechanisches, eine derartige Hysterese-Charakteristik aufweisendes Stellglied bei einer Hilfskraft-Lenkungs-Einheit zur Steuerung des Flusses der Betriebsflüssigkeit benutzt wird, wird das Steuerrad plötzlich leicht oder schwer betätigbar an Punkten, an denen die Flußmenge wechselt. Da sich außerdem derartige Punkte in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Steuerrades ändern, wird das Empfinden des Fahrers beeinträchtigt.
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Aus der im wesentlichen dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrundeliegenden DE-OS 22 55 272 ist ein Stellmagnet, insbesondere für ein Magnetventil, bekannt, der mit einer ringförmigen Magnetspule, einem von der Magnetspule gegen den Widerstand einer Druckfeder bewegbaren Anker und Wälzlager zum axialen Führen des Ankers versehen ist. Durch die leichtgängige Lagerung wird zwar eine relativ kleine Hysterese erreicht. Jedoch liegt durch die einseitige Federbelastung der Anker in der Ruhestellung an einem Anschlag an und auch bei erregtem Magneten kann der Anker sehr leicht an einen gegenüberliegenden Anschlag anstoßen. Der Anker trägt daher an seinen gegenüberliegenden Stirnseiten Antiklebscheiben. Diese können jedoch nicht vollständig verhindern, daß zur Lösung von den Anschlägen eine gewisse Kraft benötigt wird, so daß ein praktisch hysteresefreies Verhalten nicht gegeben ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die vorbeschriebene Hysterese-Charakteristik unterdrückt wird, und bei dem die mechanische Verschiebung des Kolbens durch Vermeidung des Lösens von Anschlägen in Abhängigkeit von einem Steuersignal in weiten Grenzen linear verläuft.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der Lagerkörper zwischen einem aus identischen Federn bestehenden Federnpaar eingespannt ist, wobei sich jeweils das vom Lagerkörper abgewandte Ende der einen Feder am Kolben und das der anderen Feder am den Kolben umgebenden Zylinder abstützt, und daß der Lagerkörper zur Aufnahme der Enden der Federn beidseitig mit Flanschen versehen ist.
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Aus der GB-PS 6 17 221 ist bereits die Lagerung der Welle eines Schaltgetriebes in einem Kugellagerkäfig bekannt, bei der zur Sicherstellung einer stets rollenden Verschiebung der Welle der Kugellagerkäfig auf beiden Seiten durch zwei identische Druckfedern in axialer Richtung gehalten wird. Der Verschiebeweg des Kugellagerkäfigs entspricht somit jeweils dem halben Verschiebeweg der Welle. Die bei einem Stellmagneten auftretenden Hystereseprobleme sind hier jedoch nicht gegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 eine Kolbenverschiebungs-Steuersignal- Charakteristik eines bekannten und eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Stellgliedes mit einer Magnetspule;
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Fig. 2 eine Fließmengen-Geschwindigkeits- Charakteristik einer Servo-Lenkungs- einheit mit einer bekannten und der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Stellglied zur Steuerung der Menge der Betriebsflüssigkeit einer Servo-Lenkungs- Einheit; und
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Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des zylindrischen Lagerkörpers gemäß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung.
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Fig. 1 zeigt die von einem Steuersignal abhängige Kolbenverschiebung bei einem bekannten, mit einer Hysterese behafteten und bei einem erfindungsgemäßen elektromechanischen Stellglied, wobei die Ordinate die Verschiebebewegung des Kolbens und die Abszisse den Steuerstrom der Magnetspule darstellen. Bei dem bekannten elektromechanischen Stellglied bewegt sich der Kolben bei allmählicher Erhöhung des Steuersignals stark von dem Punkt P 1 zum Punkt P 2 bei einem Strom i 1 (Kurve a), und dann bewegt sich der Kolben allmählich zum Punkt P 3 bei Erhöhung des Stromes auf den Wert i 2. Darauf bewegt sich der Kolben nicht über den Punkt P 3 hinaus, auch dann nicht, wenn der Steuerstrom weiter erhöht wird. Wenn umgekehrt der Strom verringert wird, bewegt sich der Kolben nicht zwischen den Stromwerten i 1 und i 2, bewegt sich aber stark vom Punkt P 3 zu P 4 bei einem Strom i 3, der geringer ist als i 1, wie in Kurve b gezeigt ist. Darauf bewegt sich der Kolben allmählich zum Ausgangspunkt P 1, wenn der Strom auf den Wert i 4 verringert wird.
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Die Fig. 2 zeigt eine Fließmengen-Fahrgeschwindigkeits- Charakteristik eines in einer Hilfskraft-Lenkungs-Einheit verwendeten, mit einer Hysterese behafteten, bekannten Steuerventils, bei der die Abszisse die Fahrgeschwindigkeit des Kraftwagens und die Ordinate die Fließmenge der Betriebsflüssigkeit darstellen, die über ein Nadelventil der Hilfskraft-Lenkungs- Einheit zugeführt wird. Wie die Kurve a zeigt, verringert sich bei einem üblichen Hilfskraftventil bei Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit des Kraftwagens die Fließmenge stark vom Punkt F 1 zum Punkt F 2 bei einer Geschwindigkeit V 1 und allmählich zum Punkt F 3, bis die Geschwindigkeit V 2 erreicht ist.
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Darauf wird die Fließmenge am Punkt F 3 aufrechterhalten, wenn die Fahrgeschwindigkeit erhöht wird. Wenn umgekehrt die Fahrgeschwindigkeit von schnell auf langsam gesenkt wird, wie die Kurve b zeigt, verändert sich der Fluß nicht bei den Geschwindigkeiten V 1 und V 2, erhöht sich jedoch stark bei V 3 und dann allmählich zum Anfangswert F 1, bis die Geschwindigkeit V 4 erreicht ist. Bei einer eine solche Charakteristik aufweisenden Hilfskraft-Lenkungs-Einheit schwankt somit der Fluß stark bei den Geschwindigkeiten V 1 und V 3 mit dem Ergebnis, daß das Steuerrad des Wagens hier abrupt leicht oder schwer betätigbar wird. Da diese Punkte der Änderung der Flußmenge sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Steuerrades unterscheiden, wird das Steuerempfinden des Fahrers beeinträchtigt.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des elektromechanischen Stellgliedes zur Steuerung des Flusses der Betriebsflüssigkeit für eine Hilfskraft- Lenkungs-Einheit. Die gezeigte Steuervorrichtung besitzt ein Hilfskraftventil 12 mit einem mit einer Magnetspule ausgestatteten elektromechanischen Stellglied und eine Steuereinheit 15, die den Fluß der einer Hilfskraft-Lenkungs-Einheit 14 zuzuführenden Betriebsflüssigkeit beeinflußt.
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Das Hilfskraftventil 12 besteht aus einem zylindrischen, in einem Zylinder 17 aufgenommenen Kolben 16, aus einem den Zylinder 17 umschließenden Spulenträger 18 und aus einer auf dem Spulenträger 18 gewickelten Magnetspule 19. Der Kolben 16 besitzt einen Außendurchmesser, der etwas geringer ist als der Innendurchmesser des Zylinders 17, und besitzt an seinen beiden Enden axiale Führungsstangen 21 und 22. Ein Nadelventil 23, das aus einer Ventilnadel und einer später zu beschreibenden Öffnung besteht, ist an dem äußeren Ende der Führungsstange 22 angeordnet. Die Führungsstangen 21 und 22 sind in Lagern 25 und 26 aufgenommen. Jedes Lager besteht aus einem zylindrischen Lagerkörper 27 gemäß Fig. 4, der einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Führungsstangen. Der zylindrische Lagerkörper 27 besitzt eine Mehrzahl von in gleichen Abständen angeordneten radialen Bohrungen 29 zur drehbaren Aufnahme der Stahlkugeln 31 und 32, die sich zwischen den Führungsstangen 21, 22 und dem Zylinder 17 abstützen. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Lager 25 und 26 an ihren Enden mit Flanschen 33 und 34 versehen zur Aufnahme der einen Enden der Federn 38, 39, 40 und 41. Die Feder 39 ist zwischen dem Lager 25 und dem Kolben 16 angeordnet, während die Feder 40 zwischen dem Kolben 16 und dem Lager 26 liegt. Das andere Ende der Feder 38 ist durch einen Federsitz 17 über einen O-Ring 43 angeordnet und an einem Ende des Zylnders 17 durch einen Klemmring 44 gehalten ist. Der Zylinder 17 besteht aus einem Zylinderteil 17 a aus magnetischem Material, einem Zylinderteil 17 b aus nichtmagnetischem Material und einem zylindrischen Teil 51, der die Basis 50 des Hilfskraftventils 12 bildet. Das eine Ende der Feder 41 liegt an dem Lager 26 an, und das andere Ende ist in dem Boden des zylindrischen Teiles 51 aufgenommen. Eine durch den Kolben 16 betätigbare Nadel des Nadelventils 23 erstreckt sich in axialer Richtung durch eine Öffnung 52 am Boden des zylindrischen Teiles 51. Die Nadel arbeitet mit einer Öffnung 53 zusammen und bildet mit dieser das Nadelventil 23. Die Basis 50 ist mit Bohrungen 54 und 55 versehen, die rechtwinklig zur Öffnung 52 gerichtet sind. Es sind ein Joch 57, eine Abdeckung 58 und Anschlüsse 59 für die Magnetspule 19 vorgesehen.
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Die Steuervorrichtung 15 mit dem Hilfskraftventil 12 besitzt eine mit der Öffnung 54 verbundene Eingangsbohrung 60, eine mit der Öffnung 53 verbundene Kammer 61, eine mit der Öffnung 55 über einen Kanal 62 verbundene Kammer 63, eine die Kammern 61 und 62 verbindende Durchtrittsöffnung 64 und eine mit der Kammer 63 verbundene Austrittsöffnung 65. Die Kammer 63 enthält einen in ihr gleitenden Kolben 66 und eine Feder 67, die normalerweise den Kolben 66 in Schließrichtung der Austrittsöffnung 65 beaufschlagt. Das andere Ende der Kammer 63 ist durch einen Stopfen 68 verschlossen.
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Die Eingangsöffnung 60 der Steuervorrichtung 15 ist über eine Leitung 71, ein Rückschlagventil 72 und eine Pumpe 73 mit einem Ölbehälter 74 verbunden, während die Kammer 61 über eine Leitung 76 mit der Servo-Lenkungs-Einheit 14 in Verbindung steht. Die Austrittsöffnung 65 ist mit dem Ölbehälter 74 über die Leitungen 78 und 79 verbunden. Die Servo- Lenkungs-Einheit 14 ist ebenfalls über die Leitungen 80 und 79 mit dem Ölbehälter 74 verbunden, während das Rückschlagventil 72 über die Leitung 81 mit dem Ölbehälter 74 in Verbindung steht.
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Wenn der mit der vorbeschriebenen Vorrichtung ausgestattete Kraftwagen angehalten ist, d. h. wenn kein Strom durch die Magnetspule 19 des Servo-Ventils 12 fließt, wird der Kolben 16 in der in Fig. 3 gezeigten Stellung gehalten.
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Wenn der Motor zu laufen beginnt, wird ein der Geschwindigkeit des Kraftwagens entsprechender Strom der Magnetspule 19 zugeführt, und bewegt den Kolben 16 nach rechts in Richtung Ventilnadel 23 , wie in Fig. 3 gezeigt ist.
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Bei niedriger Fahrgeschwindigkeit ist die Nadel 23 ausreichend aus der Öffnung 53 zurückgezogen, so daß das in die Eingangsöffnung der Steuereinheit 15 aus dem Ölbehälter 74 über die Pumpe und das Rückschlagventil 72 einfließende Öl nicht durch die Ventilnadel 23 beeinflußt ist. Demzufolge wird eine Ölmenge F 1 gemäß Fig. 2 der Hilfskraft-Lenkungs- Einheit 14 zu ihrer vollen Betätigung durch die Kammer 61 zugeführt. Bei dieser geringen Fahrgeschwindigkeit kann das Lenken des Kraftwagens mit einer geringen Kraft erfolgen. Dieser Vorteil ist auch gegeben beim Anhalten des Kraftwagens.
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Wenn der Kraftwagen eine hohe Geschwindigkeit besitzt, erhöht sich der der Spule 19 zugeführte Strom, so daß der Kolben 16 weiter nach rechts bewegt wird, so daß die Ventilnadel 23 in die Öffnung 53 eintritt und die durch das Nadelventil fließende Ölmenge verringert von F 1 auf F 3 gemäß Fig. 2. Hierdurch wird die Hilfskraft verringert und macht eine größere Kraft zur Betätigung des Lenkrades bei hoher Geschwindigkeit erforderlich. Wenn der Druck in der Eintrittskammer 60 größer wird als der Druck in der Kammer 63, wird der Kolben 66 nach rechts gegen die Wirkung der Feder 67 bewegt, so daß das in der Eintrittsöffnung 60 befindliche Öl dem Ölbehälter 74 über die Öffnungen 54, 55, die Leitung 62, die Kammer 63, die Austrittsöffnung 65 und die Leitungen 78, 79 zufließt. Wenn die Druckdifferenz zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung einen vorbestimmten Wert überschreitet, führt das Rückschlagventil 72 das Öl zu dem Ölbehälter 74 zurück.
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Das elektromechanische Stellglied des Servoventils 12 arbeitet wie folgt. Wenn der Kolben 16 durch die Anziehungskraft der Spule 19 nach rechts bewegt wird, ist der Reibungswiderstand zwischen dem Kolben und dem Zylinder viel kleiner als die Gleitreibung, da der Kolben 16 in dem Zylinder 17 nur über die Lager 25, 26 geführt ist. Daher ist es möglich, den Kolben im Verhältnis zur Größe des Steuerstromes der Spule 19 zu bewegen. Dies ist auch der Fall, wenn der Kolben in entgegengesetzter Richtung bewegt wird. Es ist daher möglich, den Kolben allmählich proportional zu dem Steuerstrom zwischen den Punkten P 1 und P 3 zu bewegen, wie die Kurve c in Fig. 1 zeigt, da die Hysterese eliminiert ist. Somit ist es möglich, den Kolben über einen weiten Bereich des Steuerstroms linear zu bewegen. Daher ist die Änderung der Strömungsmenge von F 1 zu F 3, wenn die Geschwindigkeit des Kraftwagens erhöht wird, gleich der Strömungsmenge von F 3 zu F 1, wenn die Wagengeschwindigkeit verringert wird, wie aus Kurve c in Fig. 2 hervorgeht. Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Kurven c sind identisch und zeigen die Eliminierung der Hysterese-Charakteristik. Daher kann eine Schaltung der der Hilfskraft-Lenkungs- Einheit 14 zugeführten Strömungsmenge, die zwischen niedrigen und hohen Fahrgeschwindigkeiten verändert wird, sehr weich erfolgen, so daß das Lenkgefühl des Fahrers nicht nachteilig beeinflußt wird.
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Da ein Nadelventil als Steuerventil benutzt wird, ist es möglich, allmählich die Ölmenge, die der Hilfskraft- Lenkungs-Einheit im Verhältnis der Änderung der Fahrgeschwindigkeit zugeführt wird, zu ändern, und damit die Lenkung zu erleichtern.
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Da die Lager 25, 26 zwischen den Federn 38, 39, 40 und 41 eingespannt sind und auf den Führungsstangen 21, 22 gleiten, entspricht die Größe der Bewegung der Stahlkugeln 31 und 32 der Hälfte der Bewegung des Kolbens 16, so daß der rollende Reibungswiderstand vermindert wird.
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Der Durchmesser des Kolbens muß dabei so viel kleiner sein als der Innendurchmesser des Zylinders, daß der Kolben sich ohne unzulässige Reibung bewegen kann.