Hydraulikventil sowie Hvdraulikkreislauf mit einem solchen Hvdraulikventil

Die Erfindung betrifft ein Hydraulikventil sowie einen Hydraulikkreislauf für ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystems mit einem solchen Hydraulikventil.

Aktive Fahrwerkstabilisierungssysteme weisen in der Regel einen Hydraulikkreislauf mit einer hydraulischen Steuereinheit auf, wobei der Hydraulikkreislauf von einer Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird, welches wiederum an ein Reservoir abgegeben werden kann.

Derzeit sind die hydraulische Steuereinheit und die eingesetzte Pumpe so aufeinander abgestimmt, daß sich bei aktiver Stabilisierung des Fahrwerks, d.h. bei einem Arbeitsdruck von etwa 100 bis 200 bar ein Fluiddurchfluß einstellt, der angeschlossene Zylinder-Kolben-Einheiten mit einer erforderlichen Geschwindigkeit bewegt. Bei inaktiver Fahrwerkstabilisierung beaufschlagt dieser Durchfluß das Fahrwerkstabilisierungssystem mit einem minimalen Staudruck, der gewöhnlich in einem Bereich unterhalb von 10 bar liegt. Einerseits sollte dieser minimale Staudruck möglichst gering sein, um bei der Wankstabilisierung, d.h. beim Ausgleich von Bewegungen des Fahrzeugs um seine Längsachse, ein unstetiges Fahrzeugverhalten zu verhindern. Andererseits muß der minimale Staudruck groß genug sein, um druckgesteuerte, passive Ventile in der hydraulischen Steuereinheit zu schalten. Um die genannten Randbedingungen zu erfüllen, ist die hydraulische Steuereinheit derzeit genau auf eine bestimmte Pumpe bzw. eine zugeordnete Förderleistung der Pumpe ausgelegt. Die hydraulische Schaltung des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems ist dadurch sehr unflexibel und muß bei geänderten Rahmenbedingungen mit hohem Aufwand angepaßt werden. Beispielsweise ist beim Einsatz größerer Zylinder- Kolben-Einheiten eine stärkere Pumpe mit höherer Förderleistung notwendig, um die größeren Zylinder-Kolben-Einheiten weiterhin mit der erforderlichen Geschwindigkeit zu bewegen. Bei sonst unverändertem Fahrwerkstabilisierungssystem hätte dies jedoch auch einen unerwünschten Anstieg des minimalen Staudrucks zur Folge. Um dies zu vermeiden, waren

bisher Anpassungen an der komplexen hydraulischen Steuereinheit notwendig, was einen erheblichen Aufwand darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den minimalen Staudruck eines Hydraulikkreislaufs bei variablem Durchfluß mit geringem Aufwand auf einem gewünschten, vorbestimmten Wert zu halten.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Hydraulikventil mit einem Ventilgehäuse, einem Ventilsitz und einem im Ventilgehäuse beweglichen Ventilelement, in dem ein Kanal von einer ersten Stirnseite des Ventilelements zu einer entgegengesetzten zweiten Stirnseite des Ventilelements ausgebildet ist, wobei die erste Stirnseite mit einem Systemdruck in Richtung zum Ventilsitz und die zweite Stirnseite durch eine Feder in entgegengesetzter Richtung, vom Ventilsitz weg beaufschlagt ist. Das Hydraulikventil wird also von der Feder in eine offene Ventilstellung beaufschlagt, in der das Hydraulikventil eine Strömungsverbindung zwischen einer Druckleitung und einem Reservoir eines Hydraulikkreislaufs herstellt. Folglich sorgt die Feder bei geringem Systemdruck für eine Druckentlastung im Hydraulikkreislauf. Der Systemdruck fällt dadurch beispielsweise von einem vorhandenen minimalen Staudruck (der von der jeweils eingesetzten Pumpe abhängt) auf den vorgegebenen, gewünschten minimalen Staudruck ab. Bei höherem Systemdruck im Bereich des Arbeitsdrucks wird das Ventil geschlossen, indem sich das Ventilelement entgegen der Federkraft in Richtung zum Ventilsitz bewegt. Somit ist unter Arbeitsdruck eine Druckentlastung des Hydraulikkreislaufs verhindert, da über das Hydraulikventil keine Strömungsverbindung mehr zum Reservoir besteht. Die gesamte Förderleistung der Pumpe steht für die Bewegung der angeschlossenen Zylinder-Kolben- Einheit(en) zur Verfügung. Insgesamt läßt sich durch das erfindungsgemäße Hydraulikventil bei geringem Systemdruck ein Durchfluß verringern und bei hohem Systemdruck eine Durchflußverringerung verhindern.

In einer Ausführungsform des Hydraulikventils definiert das Ventilelement im Ventilgehäuse eine Ventilkammer, in die über den Kanal Hydraulikfluid einströmen und aus der über eine Ventilgehäuseöffnung Hydraulikfluid abströmen kann. über den Kanalquerschnitt und den Querschnitt der Ventilgehäuseöffnung läßt sich in dieser Ausführungsform ein Druckentlastungsdurchfluß leicht einstellen. Außerdem läßt sich durch das

Querschnittsverhältnis des Kanals und der Ventilgehäuseöffnung ein hydraulischer Ventilkammerdruck erzeugen, der die Feder unterstützt.

Vorzugsweise ist der Ventilsitz in der Ventilkammer ausgebildet. Der Ventilsitz grenzt folglich an die erste Stirnseite des Ventilelements an und kann somit den Kanal gut verschließen. In einer besonders kostengünstigen Variante ist dabei der Ventilsitz einstückig am Ventilgehäuse angeformt.

Auch die Feder kann in der Ventilkammer angeordnet sein. Damit liegt die Feder geschützt vor äußeren Einwirkungen und Beschädigungen im Innern des Ventilgehäuses. In einer weiteren Ausführungsform des Hydraulikventils ist der

Kanalquerschnitt kleiner als der Querschnitt der Ventilgehäuseöffnung. Dies bietet den Vorteil, daß sich alleine über den Kanalquerschnitt die Größe der Druckentlastung bzw. die Durchflußmenge zur Druckentlastung steuern läßt. Außerdem wird ein Druckaufbau in der Ventilkammer verhindert, so daß die Kraft, mit der das Ventilelement vom Ventilsitz weg beaufschlagt ist, ausschließlich von der gut einstellbaren Federkraft abhängt.

Vorzugweise ist die Feder eine Schraubenfeder, die sich mit einem ersten Federende an einem Boden des Ventilgehäuses und mit einem zweiten Federende am Ventilelement abstützt. Schraubenfedern sind einfache und preiswerte Federn, deren Federkraft sich präzise einstellen läßt. Darüber hinaus läßt sich durch die Verwendung der Schraubenfeder eine sehr einfache und zuverlässige Ventilkonstruktion realisieren.

Besonders bevorzugt ist der Ventilsitz als Vorsprung am Boden des Ventilgehäuses ausgebildet und erstreckt sich ins Innere der Schraubenfeder. Zum einen fixiert der Ventilsitz damit die Schraubenfeder im Bereich ihres ersten Federendes quer zur Schraubenfederlängsachse, zum andern bildet der Ventilsitz in Richtung der Schraubenfederlängsachse eine Führung im Bereich des ersten Federendes.

Eine weitere Ausführungsform des Ventils zeichnet sich dadurch aus, daß das Ventilelement in einer geschlossenen Ventilstellung am Ventilsitz dicht anliegt, so daß der Kanal verschlossen ist, und in einer geöffneten Ventilstellung

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vom Ventilsitz beabstandet ist, so daß Hydraulikfluid durch den Kanal in Richtung von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite strömen kann.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Hydraulikkreislauf für ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem mit einem oben beschriebenen Hydraulikventil und einer hydraulischen Steuereinheit, wobei das Hydraulikventil parallel zur hydraulischen Steuereinheit zwischen eine Pumpe und ein druckloses Reservoir geschaltet ist. In einem derart geschalteten Hydraulikkreislauf sorgt das an die Förderleistung der Pumpe angepaßte Hydraulikventil für einen gewünschten minimalen Staudruck bei baugleicher hydraulischer Steuereinheit.

Vorzugsweise ist eine Ventilkammer des Hydraulikventils über eine

Ventilgehäuseöffnung und eine drucklose Rücklaufleitung mit dem Reservoir verbunden. Durch die drucklose Rückführung des Hydraulikfluids aus der Ventilkammer wird ein Druckaufbau in der Ventilkammer und damit eine Beeinflussung der Ventilstellung des Hydraulikventils verhindert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:

- Figur 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Hydraulikkreislaufs mit einem erfindungsgemäßen Hydraulikventil;

- Figur 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Hydraulikventil nach

Figur 1 in einer offenen Ventilstellung; und

- Figur 3 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Hydraulikventil nach Figur 1 in einer Sperrstellung des Ventils.

Das in Figur 1 dargestellte Schaltbild eines Hydraulikkreislaufs für ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem zeigt eine Pumpe 8, die über eine Zuleitung 10 eine hydraulische Steuereinheit 12 mit Hydraulikfluid, welches unter Systemdruck steht, versorgt. Die hydraulische Steuereinheit 12 ist über eine Rücklaufleitung 14 mit einem drucklosen Reservoir 16 verbunden. Der Hydraulikkreislauf umfaßt ferner ein Hydraulikventil 18, das parallel zur hydraulischen Steuereinheit 12 zwischen die Pumpe 8 und das drucklose Reservoir 16 geschaltet ist. Das

Hydraulikventil 18 weist dabei einen Druckanschluß 20 (Figuren 2 und 3) auf, der

mit der Zuleitung 10 gekoppelt ist, und einen Anschluß 22 (Figuren 2 und 3), der mit der Rücklaufleitung 14 gekoppelt ist.

Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das Hydraulikventil 18, welches ein

Ventilgehäuse 24, einen Ventilsitz 26 und ein im Ventilgehäuse 24 bewegliches Ventilelement 28 aufweist. Im Ventilelement 28 ist ein Kanal 30 von einer ersten

Stirnseite 32 des Ventilelements 28 zu einer entgegengesetzten zweiten

Stirnseite 34 des Ventilelements 28 ausgebildet. Ferner ist die erste Stirnseite 32 dem Druckanschluß 20 zugewandt und wird mit einem Systemdruck in Richtung zum Ventilsitz 26 beaufschlagt. Die zweite Stirnseite 34 ist durch eine Feder 36 in entgegengesetzter Richtung, vom Ventilsitz 26 weg beaufschlagt.

Das Ventilelement 28 definiert im Ventilgehäuse 24 eine Ventilkammer 38, in die über den Kanal 30 Hydraulikfluid einströmen und aus der über den als Ventilgehäuseöffnung 40 ausgebildeten Anschluß 22 Hydraulikfluid abströmen kann. Der Ventilsitz 26 ist in der Ventilkammer 38 als Vorsprung an einem Boden 42 des Ventilgehäuses 24 angeformt. Die Feder 36 ist eine Schraubenfeder und befindet sich ebenfalls in der Ventilkammer 38. Sie stützt sich mit einem ersten Federende 44 am Boden 42 des Ventilgehäuses 24 und mit einem zweiten Federende 46 am Ventilelement 28 ab. Der Ventilsitz 26 erstreckt sich dabei ins Innere der Schraubenfeder und bildet im Bereich des ersten Federendes 44 eine Führung in Längsrichtung der Schaubenfeder.

In der Figur 2 ist das Hydraulikventil 18 analog zur Figur 1 in einer offenen Ventilstellung zu sehen. In dieser offenen Ventilstellung ist der Systemdruck zu gering, um das Ventilelement 28 entgegen der Federkraft in Richtung zum Ventilsitz 26 zu bewegen. Die einander entgegenwirkenden Kräfte sind in Figur 2 als Pfeile eingezeichnet, wobei F _c die Federkraft und F _P eine aus dem Systemdruck resultierende Kraft auf die erste Stirnseite 32 des Ventilelements 28 symbolisiert. In der gezeigten offenen Ventilstellung ist also ein Durchfluß vom Druckanschluß 20 über den Kanal 30 in die Ventilkammer 38 und von dort über die Ventilgehäuseöffnung 40 und die Rücklaufleitung 14 zum Reservoir 16 möglich.

Wie in Figur 2 angedeutet, ist der Querschnitt des Kanals 30 vorzugsweise kleiner als der Querschnitt der Ventilgehäuseöffnung 40. Somit wird der Druckabfall in der Zuleitung 10 bzw. der aus der Zuleitung 10 abgezweigte Durchfluß

alleine vom Querschnitt des Kanals 30 bestimmt. Außerdem baut sich bei im wesentlichen druckloser Rücklaufleitung 14 kein Druck in der Ventilkammer 38 auf, der das Ventilelement 28 vom Ventilsitz 26 weg beaufschlagen und somit die Feder 36 unterstützen würde. Aus einem solchen Ventilkammerdruck ergäbe sich zusätzlich zu den entgegenwirkenden Kräften F _c und F _P noch eine resultierende Federunterstützungskraft, welche die Ventilstellung beeinflussen würde. Das Schalten des Hydraulikventils würde entsprechend komplizierter und ungenauer werden. Dennoch sind Ausführungsformen des Hydraulikventils 18 denkbar, bei denen der Querschnitt des Kanals 30 größer als der Querschnitt der Ventilgehäuseöffnung 40 ist und der entstehende Ventilkammerdruck die Ventilstellung des Hydraulikventils 18 beeinflußt.

Bei nicht aktiviertem Fahrwerkstabilisierungssystem ist der am Druckanschluß 20 anliegende Systemdruck gering, liegt aber über dem gewünschten minimalen Staudruck. Aufgrund des geringen Drucks ist die resultierende Kraft F _P auf das Ventilelement geringer als die entgegengesetzt wirkende Federkraft F _c (Figur 2). Entsprechend zweigt das Hydraulikventil 18 über den Kanal 30 Hydraulikfluid aus der Zuleitung 10 in das Reservoir 16 ab, so daß sich der Fluiddurchfluß in der Zuleitung 10 verringert. Aufgrund dieses verringerten Durchflusses in der Zuleitung 10 verringert sich auch der Druck in der hydraulischen Steuereinheit 12. Dabei wird der Querschnitt des Kanals 30 genau so gewählt, daß der reduzierte Druck in der Zuleitung 10 dem gewünschten minimalen Staudruck entspricht.

Bei einer Aktivierung des Fahrwerkstabilisierungssystems steigt der Druck in der Zuleitung sehr schnell auf einen Arbeitsdruck an, der in der Regel über 100 bar liegt. Infolge dieses Druckanstiegs in der Zuleitung 10 wächst auch die resultierende Kraft F _P auf das Ventilelement 28 an. Die Kraft F _P übersteigt schließlich die Federkraft F _c und bewegt das Ventilelement 28 in Richtung zum Ventilsitz 26. Letztlich nimmt das Hydraulikventil 18 eine in Figur 3 gezeigte Sperrstellung ein, bei der das Ventilelement 28, genauer die zweite Stirnseite 34 des Ventilelements 28 dichtend am Ventilsitz 26 anliegt, so daß der Kanal 30 durch den Ventilsitz 26 verschlossen ist. Da auch die Gleitverbindung zwischen dem Ventilelement 28 und dem Ventilgehäuse 24 weitgehend dicht ist, wird über das Hydraulikventil 18 kein Hydraulikfluid aus der Zuleitung 10 abgezweigt. Entsprechend steht die maximale Förderleistung der Pumpe 8 in der Zuleitung 10

zur Verfügung. Dies ist bei aktiviertem Fahrwerkstabilisierungssystem auch gewünscht, um den maximalen Durchfluß und Arbeitsdruck für eine Bewegung wenigstens einer angeschlossenen Zylinder-Kolben-Einheit (nicht gezeigt) bereitzustellen.

Bei einer Deaktivierung des Fahrwerkstabilisierungssystems fällt der Druck in der Zuleitung und damit auch die Kraft F _P auf einen Wert F _P ' ab. Die Federkraft F _c ist über eine Federhärte so eingestellt, daß sie größer als die Druckkraft F _P ' ist, so daß sich das Ventilelement 28 nach einer Deaktivierung des Fahrwerkstabilisierungssystems wieder vom Ventilsitz 26 entfernt und das Hydraulikventil 18 wieder seine offene Ventilstellung gemäß Figur 2 einnimmt. Der in der Zuleitung 10 anstehende Druck, bzw. die resultierende Druckkraft F _P ' sinkt nach Freigabe des Kanals 30 weiter ab, bis der gewünschte minimale Staudruck erreicht ist.

Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß der gewünschte minimale Staudruck einer vorgegebenen hydraulischen Steuereinheit 12 für verschiedene Pumpen 8 konstant gehalten wird, ohne daß bauliche änderungen an der hydraulischen Steuereinheit 12 vorgenommen werden müssen. Dabei wird die hydraulische Steuereinheit 12 bevorzugt auf die Pumpe mit der geringsten Förderleistung so eingestellt, daß der gewünschte minimale Staudruck ohne das Hydraulikventil 18 erreicht wird. Bei jeder Pumpe, die eine höhere Förderleistung aufweist, ist das Hydraulikventil 18 parallel zur hydraulischen Steuereinheit 12 zwischen die Pumpe 8 und das drucklose Reservoir 16 zu schalten (Figur 1). Dabei sind für unterschiedliche Förderleistungen der Pumpen 8 auch verschiedene Hydraulikventile 18 einzusetzen. Die jeweiligen Hydraulikventile 18 unterscheiden sich in der Regel allerdings nur durch den Querschnitt des Kanals 30, der jeweils in Abhängigkeit von der Förderleistung der Pumpe 8 so zu wählen ist, daß sich in der offenen Ventilstellung des Hydraulikventils 18 der gewünschte Durchfluß bzw. der gewünschte minimale Staudruck in der Zuleitung 10 der hydraulischen Steuereinheit 12 einstellt.