Die
Erfindung betrifft einen Hydraulikzylinder mit einem Kolben, beidseitig
dessen je ein Arbeitsraum im Hydraulikzylinder gebildet ist, insbesondere einen
Servozylinder einer hydraulischen Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, wobei
ein hydraulischer Endanschlag durch zumindest eine, bevorzugt jedoch
mehrere in der Zylinderwand über
deren Umfang verteilt angeordnete, zumindest annähernd in Richtung der Zylinderachse
verlaufende Längsnut(en)
gebildet ist, über
die die beiden Arbeitsräume hydraulisch
miteinander verbunden sind, wenn sich der in seinem Mittenbereich
eine mit der Zylinderwand zusammenwirkende Ringdichtung aufweisende
Kolben im Bereich dieser Längsnut(en)
befindet. Zum technischen Umfeld wird neben der
DE 197 35 979 A1 insbesondere
auf die
DE 44 35 848
A1 verwiesen.
In
hydraulischen Open-Center-Lenksystemen von Fahrzeugen wird üblicherweise
von einer Hydraulikpumpe ein konstanter Volumenstrom gefördert, der
das Hydrauliksystem permanent durchströmt. Bei Geradeausfahrt des
Fahrzeugs befindet sich ein Drehschieberventil des Systems in seiner Mittenposition,
in der alle Arbeitsanschlüsse
miteinander verbunden sind und kein Lenkdifferenzdruck am Servozylinder
anliegt. Wird eingelenkt, d.h. am Lenkrad ein Drehmoment aufgebracht,
so verdreht sich das Drehschieberventil stetig um einen Winkel und
hierdurch wird Hydraulikmedium in größerem Umfang in die eine und
in geringerem Umfang in die andere Arbeitskammer des Servozylinders
gesteuert, derart, dass die dabei entstehende hydraulische Kraft
den Fahrer beim Lenken unterstützt.
Durch
das stetige Verschieben des Drehschieberventils in eine der beiden
Ventilendpositionen wird im Servozylinder somit ein Differenzdruck aufgebaut,
der einen Maximalwert annimmt, wenn das vom Fahrer aufgebrachte
Lenkmoment das Nennmoment des Drehschieberventils überschreitet. Dieser
Fall kann insbesondere dann auftreten, wenn sich der Kolben im Servozylinder
an einem seiner beiden mechanischen Endanschläge befindet und der Fahrer
sehr leicht ein erhöhtes
Drehmoment aufbringen kann, da die Bewegung des Lenkzylinders durch
den Anschlag blockiert ist. Wird dann der Maximaldruck im Hydrauliksystem
erreicht, so öffnet üblicherweise
ein an der Hydraulikpumpe vorgesehenes Druckbegrenzungsventil und
der geförderte
Hydraulikvolumenstrom wird innerhalb der Hydraulikpumpe von deren
Druckseite zur deren Saugseite zurückgeführt. Dieser Zustand ist jedoch
unerwünscht, da
dann der gesamte Hydraulikvolumenstrom über den maximalen Systemdruck
in der Hydraulikpumpe entspannt wird. Das Hydraulikmedium verliert
dabei an Energie und die entstehende Verlustleistung wird vollständig in
Wärme umgesetzt,
was zu einem schnellen und unerwünschten
Aufheizen der Hydraulikpumpe führen
würde.
Um
dieser Problematik abzuhelfen, sind im Servozylinder zusätzlich sog.
hydraulische Endanschläge
vorgesehen, wozu neben der eingangs zweitgenannten
DE 44 35 848 A1 auf die
beigefügte
4 und die folgende kurze
Beschreibung des üblichen
Standes der Technik verwiesen wird. Dabei zeigt
4 in einer vereinfachten Prinzipdarstellung einen
teilweisen Schnitt durch einen Servozylinder eines Zahnstangen-Servolenksystems
eines zweispurigen Kraftfahrzeugs nur mit den für das Verständnis erforderlichen Elementen.
So
ist in 4 ist mit der
Bezugsziffer 1 die Kolbenstange eines im Servozylinder 5 in
Richtung der Kolbenstange 1 bzw. in Richtung der Zylinderachse 5a verschiebbaren
Kolbens 2 gekennzeichnet. Diese Kolbenstange 1 stellt
die Verlängerung
einer nicht dargestellten Zahnstange einer dem Fachmann grundsätzlich bekannten
Zahnstangenlenkung eines Kraftfahrzeugs dar. An den beiden Enden
der Kolbenstange 1 (bzw. Zahnstange) sind außerhalb
des Servozylinders 5 über
sog. Spurstangengelenke 3 beidseitig Spurstangen 4 angelenkt, über die
die nicht dargestellten lenkbaren Räder des zweispurigen Kraftfahrzeugs
eingeschlagen, d.h. gelenkt werden. Im einfachsten Fall bilden die
beiden Spurstangengelenke 5 mechanische Endanschläge für den Verschiebeweg
des Kolbens 2 im Servozylinder 5, so wie dies
in 4 dargestellt ist,
wobei sich der Kolben 2 an seinem linken Endanschlag befindet.
Bekanntlich
sind im Servozylinder 5 beidseitig des Kolbens 2 sog.
Arbeitsräume 7a, 7b gebildet, von
denen jeder über
einen die Wand des Servozylinders 5 durchdringenden Hydraulikanschluss 6 an
das nicht weiter dargestellte Hydrauliksystem des Servo-Lenksystems
angeschlossen ist. Über
bspw. sichelförmige
Längsnuten 11 in
der Innenwand des Servozylinders 5 im Bereich des sich
an seinen mechanischen Endanschlägen
befindenden Kolbens 2, die vorzugsweise koaxial zur Kolbenstange 1 in
Richtung der Zylinderachse 5a verlaufen und von denen mehrere
radial über
dem Zylinderumfang verteilt vorgesehen sind, wird in der Nähe bzw.
im Bereich vom Lenk-Endanschlag ein hydraulischer Kurzschluss zwischen
den beiden Arbeitsräumen 7a, 7b des
Servozylinders 5 hergestellt. Somit fließt über diese Längsnuten 11 unter
Passieren der mit Ausnahme dieser Längsnuten 11 an der
Zylinder-Innenwand anliegenden Ringdichtung 18 im Mittenbereich
des Kolbens 2 bereits vor Erreichen des maximalen Hydraulikdrucks
im Endanschlag ein Hydraulik-Volumenstrom durch das Hydrauliksystem
des Servolenksystems, der vorteilhafterweise auch zur Kühlung der Hydraulikpumpe
beiträgt,
da er von dieser kontinuierlich angesaugt wird.
Dieser
kühlende
Volumenstrom fließt
auch, wenn – wie
weiter oben geschildert wurde – der
Maximaldruck der Hydraulikpumpe erreicht wird und das bereits genannte
Druckbegrenzungsventil der Hydraulikpumpe öffnet.
Die
Längsnuten 11 bilden
somit quasi einen hydraulischen Endanschlag und vermeiden – wie geschildert – ein Überhitzen
der Hydraulikpumpe des Servolenksystems. Die Größe des sich bei Erreichen des
Endanschlags einstellenden Hydraulik-Volumenstroms ist dabei maßgeblich
von der Größe der sich einstellenden
Durchflussflächen 12 abhängig. In
der Regel werden diese Durchflussflächen 12 so ausgeführt, dass
der maximale Systemdruck im Lenkanschlag überhaupt nicht erreicht wird
und der vollständige
Volumenstrom über
das Hydrauliksystem fließt. Der
Druck im System kann dabei auf unter 50% des genannten Maximaldrucks
absinken.
Um
jedoch die geschilderte Funktion dieses hydraulischen Endanschlags
sicherzustellen, muss das Maß a,
nämlich
der Abstand der Längsnuten 11 vom
mechanischen Endanschlag, und das Maß b, nämlich der Abstand des Kolbens 2 vom
mechanischen Endanschlag, sehr genau aufeinander abgestimmt werden.
Nur so kann sichergestellt werden, dass die Durchflussfläche 12 eine
definierte Größe hat und
der Druckausgleich wie gewünscht
zwischen den Arbeitsräumen 7a, 7b stattfinden
kann, nämlich sowohl
hinsichtlich der Durchflussmenge als auch hinsichtlich der Position
des Kolbens 2 im Servozylinder 5. Dabei ist nämlich sicherzustellen,
dass der Fahrer in jeder Fahrsituation aus dem Endanschlag auch
unter hoher Lenklast problemlos herauslenken kann. Aus diesem Grunde
müssen
die Querschnitte der Durchflussflächen 12 sehr genau
eingestellt werden, so dass der Differenzdruck am Servozylinder 5 nur
wenig kleiner ist als der maximale Systemdruck, bei dem das Druckbegrenzungsventil
der Hydraulikpumpe öffnet.
Nur so kann sichergestellt werden, dass der Fahrer durch Aufbringen
eines Lenkmoments den Kurzschluss der Arbeitsräume 7a, 7b mit geringem
Kraftaufwand überwinden
und den Kolben 2 auch wieder aus dem Endanschlag herausbewegen
kann. Die genannten Maße
a und b erlauben daher nur geringste Toleranzen.
Diese
erforderliche hohe Fertigungsgenauigkeit kann in einem Serienprozess
nur mit hohem Kostenaufwand erreicht werden. Hierbei müssen die
beide erläuterten
Maße a
und b der in einem Lenkgetriebe zu verbauenden Bauteile (nämlich Kolbenstange
1 und
Servozylinder
5) überprüft und ggf.
die Teile neu zugeordnet werden. Um diese Anforderungen zu verringern,
sind bereits hydraulische Endanschläge bzw. Endabschaltungen mit
sog. Kolbenventilen bekannt, wofür
die eingangs erstgenannte
DE
197 35 979 A1 ein Beispiel zeigt. Derartige Kolbenventile
erhöhen
jedoch nicht nur den Bauaufwand erheblich, sondern stellen als bewegbare
Bauteile eine mögliche
Fehlerquelle dar.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine demgegenüber einfachere
Maßnahmen aufzuzeigen,
mit Hilfe derer die Genauigkeitsanforderungen an einen Servozylinder
(mit Kolben) eines Lenksystems bzw. allgemein an einen Hydraulikzylinder
mit einem Kolben und einem hydraulischen Endanschlag gegenüber dem
eingangs geschilderten bekannten Stand der Technik reduziert werden
können. (Dabei
sei an dieser Stelle ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich auf
ein Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs bezieht, wenngleich dies
einen bevorzugten Einsatzfall für
einen Hydraulikzylinder mit Kolben und hydraulischen Endanschlägen darstellt).
Die
Lösung
dieser Aufgabe ist für
einen Hydraulikzylinder mit Kolben und hydraulischem Endanschlag
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben in Richtung der Zylinderachse betrachtet höher als
die Länge
der Längsnut(en)
ist und dass im oder am Kolben beidseitig der Ringdichtung zwischen
der jeweiligen Kolbenstirnseite und der Kolbenwand im Bereich der Längsnut(en) Übertrittsmöglichkeiten
für Hydraulikmedium
vorgesehen sind. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt
der Unteransprüche.
Weiter
oben wurde bereits erwähnt,
dass im bekannten Stand der Technik eines hydraulischen Lenkanschlags
(bspw. nach der beschriebenen 4) die Längsnuten
(11) zwei Funktionen erfüllen, die grundsätzlich voneinander
getrennt betrachtet werden können.
Zum einen wird über
diese Längsnuten
(11) der Kurzschluss zwischen beiden Arbeitsräumen (7a, 7b)
hergestellt, und zwar bei einer genau einzuhaltenden Position des
Kolbens (2) im Servozylinder (5). Darüber hinaus
muss auch der Differenzdruck, bei dem der sog. Kurzschluss-Volumenstrom fließt, über diese
Längsnuten
(11) eingestellt werden, weshalb, wie bereits erläutert wurde,
die beiden Maße
a und b in 4 exakt einzuhalten sind. Nach der
vorliegenden Erfindung hingegen werden diese beiden Funktionen,
nämlich
Kurzschlussschaltung einerseits und Druckeinstellung bzw. Durchfluss-Volumenbestimmung
andererseits, von zwei verschiedenen Konstruktionselementen übernommen.
Dies wird dadurch ermöglicht,
dass der Kolben in Richtung der Zylinderachse betrachtet höher als
die Länge
der Längsnut(en)
ist und dass im Kolben beidseitig der Ringdichtung zwischen der
jeweiligen Kolbenstirnseite und der Kolbenwand im Bereich der Längsnut(en) Übertrittsmöglichkeiten
für Hydraulikmedium
vorgesehen sind. Die Druckeinstellung, d.h. die Einstellung des
bei entsprechender Kolbenposition zwischen den beiden Arbeitsräumen fließenden Kurzschluss-Volumenstromes
erfolgt dann durch die im oder am Kolben selbst vorgesehene sog. Übertrittsmöglichkeit,
und zwar unabhängig
von der exakten Position des Kolbens. Unabhängig davon ob dieser sich einige
Zehntel Millimeter weiter links oder weiter rechts (bezogen auf
die Darstellung in 4) befindet, stellt sich dann
jeweils der durch den freien Querschnitt der sog. Übertrittsmöglichkeit
bestimmte Hydraulik-Volumenstrom ein. Somit kann die geschilderte
Problematik einer hohen Fertigungsgüte und kleiner Toleranzen beseitigt
werden.
Beim
Ausführungsbeispiel
nach 1 ist die Übertrittsmöglichkeit
für das
Hydraulikmedium durch einen im Kolben 2 verlaufenden Kanal 16 gebildet. Dabei
ist der Kolben 2 – analog 4 – in seinem
linken Anschlag stehend dargestellt und überdeckt hierbei wie ersichtlich
die Längsnuten 11 über ihrer
gesamten in Richtung der Zylinderachse 5a gemessenen Länge. Beidseitig
der Ringdichtung 18 ist in der Wand des Kolbens 2 je
eine umlaufende Aussparung 15 vorgesehen. In jeder Aussparung 15 mündet zumindest
eine, gegebenenfalls über
dem Umfang verteilt auch mehrere Bohrung(en) oder Kanäle 16 (bzw. ein
Kanal 16), deren (bzw. dessen) andere(s) Ende(n) auf der
Stirnseite des Kolbens 2 direkt in demjenigen Arbeitsraum 7a bzw. 7b mündet, der
auf der gleichen Seite der Ringdichtung 18 liegt wie die
zugehörige
Aussparung 15. Jeder Kanal 16 verbindet also einen
der Arbeitsräume 7a bzw. 7b mit
den bezüglich der
Ringdichtung 18 auf der gleichen Seite liegenden Abschnitten
der Längsnuten 11,
so dass über
die Kanäle 16 zu
beiden Seiten der Ringdichtung 18 sowie über die
Längsnuten 11 der
gewünschte
hydraulische Kurzschluss zwischen den Arbeitsräumen 7a und 7b hergestellt
ist. Die über
diesen hydraulischen Kurzschluss fließende Hydraulikmenge bzw. das
Hydraulikvolumen wird dabei (unter Berücksichtigung der zwischen den
Arbeitsräumen 7a, 7b herrschenden
Druckdifferenz) im wesentlichen bzw. alleine durch den freien Strömungsquerschnitt
der Kanäle 16 bestimmt.
Zur exakten Darstellung desselben kann dabei in jedem Kanal 16 eine
geeignete Drosselstelle 17 vorgesehen sein. Diese durch
den freien Strömungsquerschnitt
bestimmte Größe des Hydraulik-Volumenstromes
stellt sich dabei stets ein, wenn die Mündungen der bezüglich der
Ringdichtung 18 linksseitigen und rechtsseitigen Kanäle 16 im
Bereich der Längsnuten 11 liegen,
unabhängig
davon, ob das Maß c geringfügig größer oder
kleiner ist, d.h. solange nur die Mündungen der Kanäle 16 in Überdeckung mit
den Längsnuten 11 liegen.
Anders als beim Stand der Technik, bei dem die Differenz der Maße (b – a) den
Durchflussquerschnitt bestimmte, kann die Differenz der Maße (c – a) in
einem gewissen Toleranzband liegen, ohne dass der Kurschluss-Hydraulikstrom
hierdurch variiert.
Mit
dem vorgeschlagenen hydraulischen Endanschlag kann unabhängig von
der konkreten Ausgestaltung sichergestellt werden, dass bei einem
Hydraulikdruck nahe dem maximalen Systemdruck ein exakt definierter Volumenstrom
zwischen den Arbeitsräumen 7a, 7b fließen kann
und somit der bei Maximaldruck in der Hydraulikpumpe intern über ein Druckbegrenzungsventil
zurückgeführte Volumenstrom
reduziert werden kann, wie eingangs bereits erläutert wurde. Im wesentlichen
unabhängig
von (üblichen)
Toleranzen stellt sich dann, wenn sich der Kolben 2 im
Bereich des hydraulischen Endanschlags befindet, ein Volumenstrom
definierter Größe über den
Kurzschluss im Servozylinder 5 ein. Der Fahrer des Kraftfahrzeugs
kann somit in jeder Fahrsituation mit hoher Lenkunterstützung bei
maximalem Systemdruck aus dem Lenkanschlag herauslenken, auch wenn
hohe Lenklasten anliegen. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen
Endanschlags ist die Tatsache, dass die durchströmten Durchflussquerschnitte
akustisch optimiert, d.h. in ihrer Durchflussgeometrie angepasst
werden können,
ohne dass eine Beeinträchtigung
der Kurzschlussfunktion oder der Funktion zur Druckeinstellung bzw.
Durchfluss-Volumenbestimmung zu erwarten ist. Beim bekannten Stand
der Technik hingegen führt
eine Änderung
der Funktionsgeometrie stets zu einer Beeinflussung beider Funktionen
(nämlich
Kurzschlussschaltung einerseits und Druckeinstellung bzw. Durchfluss-Volumenbestimmung
andererseits). Bei den gegebenen Fertigungstoleranzen erlaubt die
vorliegende Erfindung somit eine exakte Einstellung des Kurzschlussvolumenstroms
im Lenkanschlag bei maximalem Systemdruck unter kostengünstiger,
da hinsichtlich der Toleranzen nicht besonders anspruchsvoller Fertigungstechnologie,
wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von
Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann,
ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.