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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf hydrostatische Fahrzeugservolenksysteme
und genauer auf solche Systeme, die in Fahrzeugen verwendet werden,
welche typischerweise mit relativ höheren Geschwindigkeiten bewegt
werden und "Straßen"-Fahrzeuge wie z.B.
Automobile und leichte Lastkraftwagen, sowie "Hochgeschwindigkeits"-Traktoren, d.h. sich mit Geschwindigkeiten
von mehr als etwa 48,28 km/h (30 Meilen/h) bewegende Traktoren einschließen, ohne
sich jedoch darauf zu begrenzen. Der Einfachheit halber werden im
folgenden beide Fahrzeugtypen in den Begriffen "Straßen"- und "Hochgeschwindigkeits"-Fahrzeugen mit eingeschlossen.
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Das
typische Fahrzeugservolenksystem ist in Abhängigkeit von der Fahrzeuganwendung
bislang aus zwei generellen Typen bestanden. Traditionellerweise
haben Straßenfahrzeuge
ein mechanisches Lenkgetriebe (z.B. Zahnstange und Ritzel) mit einem hydraulischen
Servokraftverstärker
verwendet. Bei diesem Systemtyp besteht eine mechanische Verbindung
zwischen dem Lenkrad und den gesteuerten Rädern, sodass im Fall eines
Verlusts der hydraulischen Kraft der Fahrer das Fahrzeug immer noch lenken
kann. "Nicht für Straßen vorgesehene" Fahrzeuge haben
ein vollständig
fluidgekoppeltes Lenksystem ("fluidgekoppeltes
System") verwendet,
bei dem eine Drehung des Lenkrades eine Lenksteuereinheit ("SCU") betätigt, die
de facto ein Ventil ist, das den Durchfluss von unter Druck stehendem
Fluid von einer Pumpe durch die SCU zu einem Lenkzylinder oder einer
anderen geeigneten Vorrichtung hin steuert. Die SCU beinhaltet konventioneller
Weise einen Fluiddosierer, der der Ventilanordnung eine Nachlaufbewegung
verleiht, wodurch die Ventilanordnung in ihre Neutralstellung zurückgestellt
wird, nachdem die erwünschte
Menge an Fluid durch die SCU zu dem Lenkzylinder geführt worden
ist.
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In
jüngerer
Zeit haben Fachleute auf dem Gebiet der Fahrzeuglenkung mechanisch-elektrische Hybridsysteme
ohne Hydraulikanordnungen vorgeschlagen, bei welchen die konventionelle
mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern besteht,
der mechanische Eingang jedoch einen Elektromotorkraftverstärker empfängt. Die
vorgeschlagenen Systeme würden
Sensoren zur Erfassung von Eingangsparametern wie z.B. der Lenkradposition
und dem Drehmoment beinhalten, wobei diese Eingänge zwecks Generierung des
geeigneten elektrischen Signals zu dem Fahrzeugmikroprozessor übertragen
werden müssten,
um dem elektrischen Motor Energie zuzuführen.
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Die
Patentschrift US-A-5 267 628, die den am nächsten liegenden Stand der
Technik repräsentiert,
offenbart einen Lenkradpositionskompensator einer vollständig hydraulischen
Lenkvorrichtung. Die vollständig
hydraulische Servolenkvorrichtung ist mit einer durch ein Lenkrad
betätigten
Lenkeinheit und einer Hydraulikkreis versehen, der Lenkzylinder
verbindet, welche den Fahrzeugkörper
drehen. Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin einen Sensor, der den Drehwinkel
des Lenkrades erfasst, einen den Drehwinkel des Fahrzeugkörpers erfassenden
Sensor, ein Steuergerät,
das die Ausgänge
dieser beiden Sensoren vergleicht und ein Kompensationsmagnetventil einer
Lenkradpositionsabweichung gemäß der Differenz
zwischen den Ausgängen
dieser Sensoren betätigt,
ein Kompensationsströmungsverteilungsventil, welches
das Lenkradpositionsausgleichsöl
von einer Lenkpumpenkreis zu dem Magnetventil abzweigt, sowie ein
Kompensationskreisschließventil,
das den Ablaufanschluss des Pilothydraulikkresies des Strömungsverteilungsventils
nur dann verschließt,
wenn das Lenkrad von einem Fahrer betätigt und es dem Strömungsverteilungsventil
ermöglicht
wird, das Ausgleichsöl
dem Magnetventil zuzuführen.
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US-A-4
251 194 bezieht sich auf eine Federanordnung einer Steuerventilbaugruppe
einer hydrostatischen Lenkeinheit des Typs, der einen Messmotor
und relativ drehbare innere und äußere konzentrische
rohrförmige
Ventilbauteile aufweist. In diesem Typ von Einheit wird eines der
Ventilbauteile mit dem Motor verbunden und das andere Ventilbauteil
wird für
Lenkzwecke manuell gedreht. Die Ventilbauteile weisen axial ausgerichtete
und diametral zueinander liegende Schlitze zur Aufnahme der Federanordnung auf,
die zwei gebogene Blattfedern und zwei Abstützplatten beinhalten, die ebenfalls
Blattfedern sein können.
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Der
Systemtyp mit einem mechanischen Lenkgetriebe weist unabhängig davon,
ob er hydraulisch oder mittels Elektromotor unterstützt ist,
verschiedene Nachteile auf. Bei den konventionellen Systemen mit
mechanischem Lenkgetriebe liegt eine feststehende Lenksäule vor,
die sich von dem Lenkrad zu dem Lenkgetriebe hin erstreckt. In den
Fall einer Frontalkollision ist die Lenksäule unglücklicherweise genau so angeordnet
und unter einem nahezu perfekten Winkel, so dass sie durch die Trennwand und
zu dem Fahrer hin gedrückt
wird. Daher sind komplizierte und teure Lösungen erforderlich, um die Lenksäule zusammenklappen
zu lassen, um mindestens das durch die Lenksäule verursachte Verletzungsrisiko
für den
Fahrer zu verringern. Weiterhin stellt das Vorhandensein der Lenksäule in dem
Motorraum den Fahrzeugdesigner hinsichtlich des Entwurfs und der
Anordnung des Motors sowie der verschiedenen Motoranbauteile vor
beträchtliche
Herausforderungen. Wie sich für
den Fachmann auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugen versteht, hat der
Designer hinsichtlich der Position des Lenkrades oder der Anordnung
des mechanischen Lenkgetriebes sehr wenig Auswahl, wobei es dazu
notwendig ist, einen unbehinderten geraden "Pfad" zwischen
dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe für die Lenksäule beizubehalten.
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Ein
weiterer Nachteil des Systemtyps mit einem konventionellen mechanischen
Lenkgetriebe ist erst in jüngerer
Zeit deutlich geworden. Da der Markt für viele Fahrzeuge und leichte
Lastkraftwagen "globaler" geworden ist, ist
es für
die Fahrzeughersteller notwendig geworden, sowohl "links gesteuerte" wie "rechts gesteuerte" Versionen ihre jeweiligen
Modelle anzubieten. Der Bedarf nach einer effizienten "Umkehrung" des Lenksystems
für die
Umwandlung eines normalerweise links gesteuerten Fahrzeugs in ein
rechts gesteuertes Fahrzeug oder umgekehrt kann es notwendig machen,
dass einige der Lenksystemkomponenten (z.B. die Baugruppe aus Zahnstange
und Ritzel) in dem Sinne doppelt hergestellt werden müssen, dass
zwei im wesentlichen identische Bauteile vorliegen, die jedoch seitenverkehrt ausfallen
und mit unterschiedlichen Teilenummern dem Lagerbestand hinzugefügt werden
müssen. Ebenfalls
führt der
Wechsel zwischen Links- und Rechtssteuerung wahrscheinlich zu einigen
größeren Umordnungen
in dem Motorraum, um die Lenksäule
an der gegenüber
liegenden Seite des Motors von seiner normalen linksseitigen Stellung
aus anordnen zu können.
Im Falle von Fahrzeugen mit quer eingebautem Motor kann diese Umordnung
besonders schwierig zu realisieren sein.
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Eine
größere Systemflexibilität hinsichtlich des
Systementwurfs kann durch eine Verwendung des vollständig fluidgekoppelten
Systemtyps bewerkstelligt werden, der traditioneller Weise bei nicht
für Straßen vorgesehenen
Fahrzeugen benutzt worden ist. Anders gesagt könnte jede Komponente eines fluidgekoppelten
Systems jeweils für
eine Links- oder Rechtssteuerung verwendet werden, wobei die einzige
Verbindung zwischen der SCU und dem Betätigungsglied Schläuche sind,
was die Aufgabe des Entwurfs eines Motorraums in großem Umfang
vereinfacht. Allerdings lassen verschiedene in derartigen Systemen
häufig
auftretende Charakteristika die fluidgekoppelten Systeme für Straßenfahrzeuge
augenscheinlich als schlecht geeignet ausfallen. Als erstes weisen
die fluidgekoppelten Systeme typischerweise ein unzureichendes "Lastreaktions-" oder Straßengefühl auf und
sind somit normalerweise für einen
Fahrzeugführer
nicht akzeptabel. Zweitens lag bisher im allgemeinen eine übermäßige "neutrale Totzone" vor, sodass die
Lenkkontrolle bei relativ höheren
Fahrzeuggeschwindigkeiten unakzeptabel aussieht. Als drittes wird
die "Registrierung" bzw. Korrelation
der Positionen zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern typischerweise
besonders an dem Ende der Ausschlagsstrecke nicht genügend aufrechterhalten,
um den Fahrer des Straßenfahrzeugs
zufriedenzustellen.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Dementsprechend
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines Lenksystems, das für
Fahrzeuge vom Straßenfahrzeugtyp
oder für
nicht für
Straßen
gedachte Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge ausgelegt ist und die beim Stand
der Technik bestehenden und weiter oben erläuterten Probleme von Systemtypen
mit mechanischen Lenkgetrieben wie z.B. den Bedarf nach einer ziemlich
steifen Lenksäule überwindet,
die das Lenkrad und das Lenkgetriebe miteinander verbindet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines vollständig fluidgekoppelten
hydrostatischen Servolenksystems, das die erwünschte Systemflexibilität bewerkstelligt und
zugleich die oben beschriebenen Nachteile von fluidgekoppelten Systemen
vom Stand der Technik wie z.B. ein unzureichendes Straßengefühl oder
einen übermäßigen Schlupf
der Ausschlagsgrenze überwindet.
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Die
obigen und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die Bereitstellung
eines verbesserten vollständig
fluidgekoppelten Lenksystems gelöst,
das dazu ausgelegt ist, in Ansprechen auf einen manuellen Eingang
in ein Lenkbauteil einem Paar gelenkter Räder eines Straßenfahrzeugs
eine Eingangsbewegung zuzuführen.
Das Lenksystem ist versehen mit einer Quelle für unter Druck stehendes Fluid,
einem Fluidsteuergerät
und einem fluiddruckbetätigten
Betätigungsglied,
das für
eine wirkungsmäßige Zuordnung
mit dem Paar gelenkter Räder ausgelegt
ist, um ihnen in Ansprechen auf einen manuellen Eingang in das Lenkbauteil
die Eingangsbewegung zu übermitteln.
Das Fluidsteuergerät
weist eine Gehäuseanordnung
auf, die einen in Fluidverbindung mit der Quelle für aufgedrücktes Fluid
stehenden Einlassanschluss und einen Steueranschluss ausbildet,
der mit dem Betätigungsglied
in Fluidverbindung steht. Das Fluidsteuergerät beinhaltet weiterhin einen
Fluiddosierer mit einem beweglichen Bauteil, das zur Messung des
durch den Fluiddosierer fließenden
Fluidstroms betätigbar
ist, und die Ventilanordnung weist ein drehbares Hauptventilorgan
und ein damit zusammenwirkendes, relativ zu diesem drehbares Nachlaufventilorgan
auf. Weiterhin beinhaltet das Fluidsteuergerät eine Anordnung zum Vorspannen
der Haupt- und Nachlaufventilorgane zu einer Neutralstellung relativ
zueinander, sowie eine Anordnung, die für eine Übertragung der Bewegung des
beweglichen Bauteils des Fluiddosierers in eine Nachlaufbewegung
des Nachlaufventilorgans betätigbar
ist.
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Das
verbesserte Lenksystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannanordnung
ausgewählt
wird, sodass ein manueller Eingang in das Lenkbauteil bis zu einem
Drehmomentpegel X zu einer korrespondierenden Vorspannung des beweglichen
Bauteils des Fluiddosierers ohne eine relative Verlagerung der Haupt-
und Nachlaufventilorgane führt,
wobei der Drehmomentpegel X einem erwünschten Straßengefühl entspricht.
Das Lenksystem beinhaltet weiterhin eine Ventilanordnung mit einem
Einlass, der mit der Quelle für
unter Druck stehendes Fluid in Fluidverbindung steht, und einem Auslass,
der mit dem Betätigungsglied
in Fluidverbindung steht, sowie eine Ventilanordnung, die in Ansprechen
auf ein externes Eingangssignal beweglich ist, damit eine Fluidverbindung
von dem Einlass zu dem Auslass ermöglicht wird. Ebenfalls weist
das Lenksystem eine Anordnung auf, die zur Erfassung des manuellen
Eingangs in das Lenkbauteil und zur Generierung des externen Eingangssignals
in Ansprechen darauf betätigbar
ist, wodurch unter Druck stehendes Fluid zu dem Betätigungsglied
sogar zu einem Zeitpunkt übertragen
wird, bevor die relative Verlagerung der Haupt- und Nachlaufventilorgane auftritt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Hydraulikschema eines hydrostatischen Servolenksystems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein vergrößertes fragmentarisches Hydraulikschema
und zeigt nur die Lenksteuereinheit des in 1 dargestellten
Systems.
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3 ist
ein axialer Querschnitt der schematisch in 2 dargestellten
Lenksteuereinheit.
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3A ist
ein vergrößerter Querschnitt
entlang der Linie 3A-3A von 3 in Querrichtung,
der jedoch nur die Spule, die Hülse
und die Federbaugruppe darstellt, das Gehäuse jedoch ausschließt.
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4 ist
ein Graph des Drehmoments in Nm (Inchpfund), das für eine Drehung
des Lenkrads als eine Funktion der Drehzahl in U/min der Drehung
des Lenkrades erforderlich ist, wobei ein Aspekt der vorliegenden
Erfindung mit dem Stand der Technik verglichen wird.
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5 ist
ein Graph des Eingangsdrehmoments in Nm (Inchpfund), das für eine Drehung
des Lenkrads als eine Funktion des Ausgangsdrehmoments in Nm (Inchpfund)
an dem Ausgang des Lenkbetätigungsglieds
erforderlich ist, wobei die vorliegende Erfindung mit dem beim Stand
der Technik bestehenden hydrostatischen Servolenksystem verglichen
wird.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, welche die Erfindung nicht einzugrenzen
beabsichtigen, ist 1 ein Hydraulikschema eines
hydrostatischen Servolenksystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das System beinhaltet eine Fluidpumpe 11, deren Einlass
mit einem Systemreservoir R verbunden ist. Der Auslass der Pumpe 11 steht
mittels einer Leitung 13 mit dem Einlass eines Lasterfassungsprioritäts-Stromsteuerventils
in Verbindung, das allgemein mit 15 gekennzeichnet und
von dem Typ ist, der in dem auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen
Patent US-A-3 455 210 illustriert und beschrieben ist. Der Druckausgang
der Fluidpumpe 11 wird durch ein Überdruckventil 17 begrenzt,
sodass jeglicher Druck, der einen vorbestimmten Maximalwert übersteigt,
einfach zurück
zu dem System reservoir R übertragen
wird.
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Der
Rest des hydrostatischen Servolenksystems kann als eine Mehrzahl
von Untersystemen betrachtet werden und schließt folgendes ein: Ein Betätigungsglied 19,
ein auch als eine Lenksteuereinheit (SCU) bezeichnetes und generell
mit 21 gekennzeichnetes Fluidsteuergerät (wobei dessen Einzelheiten
einer vereinfachten Illustration halber lediglich in 2,
nicht jedoch in 1 dargestellt sind); eine allgemein
mit 23 gekennzeichnete elektrohydraulische Steuer-(EHC)-Ventilbaugruppe
sowie einen allgemein mit 25 gekennzeichneten Fahrzeugmikroprozessor
(ECU).
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Wie
für den
Fachmann auf dem Gebiet der Lasterfassungssteuerung wohlbekannt
verfügt
das Prioritätsventil 15 über einen "CF"-(gesteuerten oder Prioritätsstrom)-Auslass,
mit dem eine Leitung 27 verbunden ist, sowie über einen "EF"-(Überschussstrom)-Auslass,
an dem eine Leitung 29 gekoppelt ist. Die Leitung 27 ist
in 1 illustriert als an eine Leitung 31 befestigt
dargestellt, welche den Eingang für sowohl den SCU 21 wie
die EHC-Ventilbaugruppe 23 bildet. Die Leitung 29 ist
in 1 als mit einer Leitung 33 verbunden
dargestellt, die wiederum an einer Leitung 35 vorgesehen
ist, welche einen Rücklauf
zu dem Systemreservoir R bildet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
und lediglich beispielshalber ist das Betätigungsglied 19 schematisch
als ein Motor (d.h. ein Drehbetätigungsglied)
mit einer Abtriebswelle 37 oder einem anderen geeigneten
Drehausgangsbauteil dargestellt, das typischerweise wie z.B. mittels
einer Lenkzwischenstange oder eines Lenkstockhebels mechanisch verkoppelt
wäre, um
dem (hier nicht dargestellten) Paar gelenkter Räder den tatsächlichen
mechanischen Eingang zuzuführen.
Für den
Fachmann sollte sich verstehen, dass der jeweils verwendete Typ
von Betätigungsglied 19 sowie
die Weise, auf die es zur Übertragung
eines Lenkeingangs zu den gelenkten Rädern verwendet wird, kein wesentliches
Merkmal der Erfindung bildet. Mit den gegenüber liegenden Seiten des Betätigungsglieds 19 sind
Leitungen 39 und 41 verbunden, wobei unter Druck
stehendes Fluid in der Leitung 39 eine Rechtsdrehung des
Fahrzeugs und unter Druck stehendes Fluid in der Leitung 41 eine
Linksdrehung bewirkt.
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In
Fluidverbindung mit der Leitung 31 stehend und im allgemeinen
mit der SCU 21 verbunden ist ein allgemein mit 43 gekennzeichnetes
Zweistellungs-Zweiwege-Magnetventil angeordnet, wobei der Auslass
des Magnetventils 43 mittels einer Leitung 45 zu
einem Einlassanschluss 47 (siehe 2) der SCU 21 übertragen
wird. Eine Leitung 49 steht mit der Leitung 33 und
anschließend
durch die Leitung 35 mit dem Systemreservoir R in Verbindung.
Mit der Leitung 49 ist ebenfalls ein Rücklaufanschluss 51 der SCU 21 (siehe 2)
verbunden.
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Wie
oben erwähnt
fungiert die Leitung 31 ebenfalls als der Eingang in die
EHC-Ventilbaugruppe 23, die in der vorliegenden Ausführungsform
und lediglich beispielshalber zwei identische Proportional-(EHC)-Magnetventile 53 und 55 aufweist.
Die Ventile 53 und 55 könnten auch durch ein einzelnes Dreiwege-Dreistellungs-Ventil
ersetzt werden. Der Auslassanschluss des EHC-Ventils 53 ist
durch eine Leitung 57 mit der Leitung 39 verbunden,
während der
Auslassanschluss des EHC-Ventils 55 durch eine Leitung 59 und
eine Leitung 61 mit der Leitung 41 in Verbindung
steht. Nachstehende Bezüge
auf den "Auslass"-Anschluss der Ventile 53 und 55 erfolgen unter
Bezugnahme auf die Bezugsziffern der Leitungen 57 bzw. 59.
Obgleich kein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung kann
das Lenksystem gemäß der Patentschrift
US-A-5 960 694 mit dem Titel "Hydrostatic
Power Steering System having reduced Wheel Slip", die auf den Anmelder der vorliegenden
Erfindung übertragen
ist, angefertigt werden.
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Nun
hauptsächlich
auf 2 Bezug nehmend wird die SCU 21 durch
eine Lenkeingabevorrichtung wie z.B. ein Lenkrad W betätigt, um
den Durchfluss von Fluid von dem Einlassanschluss 47 zu
dem Betätigungsglied 19 auf
eine Weise zu steuern, die dem Fachmann auf dem SCU-Gebiet im allgemeinen
wohlbekannt ist. Es sollte sich verstehen, dass sich die vorliegende
Erfindung nicht auf irgendeinen bestimmten Typ bzw. eine bestimmte Konfiguration
der SCU beschränkt,
solange dies im folgenden nicht spezifisch angeführt ist. Die SCU 21 beinhaltet
eine allgemein mit 63 gekennzeichnete Ventilanordnung sowie
einen Fluiddosierer 65. Wie für den Fachmann auf dem Gebiet
von Lenkungen ebenfalls wohlbekannt besteht eine Funktion des Fluiddosierers 65 in
der "Dosierung" des durch die SCU 21 fließenden Fluids
und in der Übermittlung
einer Nachlaufbewegung an die Ventilanordnung 63, wodurch
die Ventilanordnung 63 in ihre Neutralstellung (zentrale
Stellung in den 1 und 2) zurückkehrt,
nachdem die erwünschte
Menge an Fluid zu dem Betätigungsglied 19 übertragen
worden ist. Vorzugsweise ist die SCU von demjenigen Typ, bei dem die
SCU 21 ein "Lastreaktions"-Vermögen aufweist, wenn
sich die Ventilanordnung 63 in ihrer Neutralstellung befindet,
wodurch die Leitungen 39 und 41 durch die Ventilanordnung 63 in
einer relativ unbegrenzten Fluidverbindung mit den gegenüber liegenden
Seiten des Fluiddosierers 65 stehen, wie dies in 2 schematisch
dargestellt ist. Infolgedessen und wie beim Stand der Technik wohlbekannt üben externe
Lasten, die den gelenkten Rädern
und somit der Abtriebswelle 37 zugeführt werden, eine hydraulische
Last in einer der Leitungen 39 oder 41 aus (in Abhängigkeit
von der Richtung der angelegten Kraft), die wiederum eine hydraulische
Last an den Fluiddosierer 65 anlegt. Diese Last wird von
dem Fahrer hinter dem Lenkrad W wahrgenommen und bildet daher einen
Aspekt des "Straßengefühls", das wie im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" erwähnt, bei
in für Straßen- und
Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen vorgesehenen Servolenksystemen des
Typs, auf den sich die Erfindung bezieht, erwünscht ist.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass eine Anzahl an Strömungswegen Rückschlagventile
und genauer Antikavitationsrückschlagventile
aufweist. Somit kann die SCU 21 vorzugsweise gemäß der Patentschrift
US-A-5 101 860 mit
dem Titel "Fluid
Controller and improved Check Valve Arrangement therefor", die auf den Anmelder
der vorliegenden Erfindung übertragen
ist, angefertigt sein.
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Immer
noch auf 2 Bezug nehmend beinhaltet die
SCU 21 zwei Steuerfluidanschlüsse 67 und 69,
die mit den Leitungen 39 bzw. 41 verbunden sind. Ebenfalls
weist die SCU 21 einen Lastsignalanschluss 71 auf,
durch den ein Lastsignal 73 übertragen wird, was im folgenden
ausführlicher
beschrieben werden wird. Schließlich
sei darauf hingewiesen, dass in 2 die SCU-Ventilanordnung 63 zu
der in 2 gezeigten Neutralstellung mittels einer Vorspannfederbaugruppe 75 vorgespannt
wird, die schematisch als zwei getrennte Vorspannanordnungen dargestellt
ist, aber wie dem Fachmann wohlbekannt, weist die Baugruppe 75 eine
einzelne Federbaugruppe auf, die dazu betätigbar ist, die Ventilanordnung 63 entweder
von einem Rechtsdrehungszustand R oder von einem Linksdrehungszustand
L in die neutrale (zentrierte) Stellung zurückzuführen. Die ausführlich in 3A dargestellte
Vorspannfederbaugruppe 75 wird im folgenden ausführlich erläutert werden.
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Nun
hauptsächlich
auf 3 Bezug nehmend wird die SCU 21 beschrieben
werden, angesichts dem oben erwähnten
Patent US-A-5 101 860 jedoch nur knapp. Die SCU 21 kann
ebenfalls gemäß des Patents
US-A-4 109 679,
das auch auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen
ist, angefertigt werden. Die SCU 21 weist verschiedene Abschnitte
einschließlich
eines Gehäuseabschnitts 77,
einer An schlussplatte 79, eines den Fluiddosierer 65 aufweisenden
Abschnitts und einer Endplatte 81 auf. Diese Abschnitte
werden mittels einer Mehrzahl von Bolzen 83 (wobei in 3 nur
deren Köpfe
dargestellt sind) in einem festen Dichteingriff aneinander gehalten.
Der Gehäuseabschnitt 77 bildet
typischerweise alle zuvor genannten Fluidanschlüsse aus, wobei in der Ebene
von 3 nur die Steuerfluidanschlüsse 67 und 69 sichtbar
sind.
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Weiterhin
bildet der Gehäuseabschnitt 77 eine
Ventilbohrung 85 aus, und darin drehbar ist die Ventilanordnung 63 vorgesehen,
die in den 1 und 2 schematisch
dargestellt ist und die ein drehbares Hauptventilorgan 87 ("Spule") sowie ein damit
zusammenwirkendes und relativ zu diesem drehbaren Nachlaufventilorgan 89 ("Hülse") aufweist. Wie beim Stand der Technik
wohlbekannt beinhaltet das vordere Ende (linkes Ende in 3)
der Spule 87 einen Bereich mit verringertem Durchmesser,
der einen Satz von Innenkeilzähnen 91 ausbildet,
welcher wiederum eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem
Lenkrad W und der Spule 87 herstellt.
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Der
Fluiddosierer 65 kann von dem Typ sein, der beim Stand
der Technik wohlbekannt ist und einen innenverzahnten stationären Ring 93 sowie
einen außenverzahnten
beweglichen Stern 95 beinhaltet. Der Stern 95 bildet
einen Satz von Innenkeilzähnen 97 aus
und in Keileingriff mit ihm stehend ist ein Satz von Außenkeilzähnen 98 an
dem rückwärtigen Ende
einer Antriebswelle 99 ausgebildet (die ebenfalls schematisch
in den 1 und 2 dargestellt ist). Das vordere
Ende der Antriebswelle 99 steht mit einem Stift 101 in
Eingriff. Wie beim Stand der SCU-Technik wohlbekannt wird die Umlauf-
und Drehbewegung des Sterns 95 durch die Antriebswelle 99 und
den Stift 101 in eine Drehnachlaufbewegung der Hülse 89 übersetzt.
Eine Funktion der Nachlaufanordnung besteht in der Aufrechterhaltung einer
jeweiligen relativen Verlagerung zwischen der Spule 87 und
der Hülse 89 proportional
zu der Drehrate des Lenkrades W, die ebenfalls eine Funktion des Drehmoments
ist, das dem Lenkrad W zugeführt wird.
Vor der Welle 99 und dem Stift 101 ist die oben beschriebene
Vorspannfederbaugruppe 75 angeordnet. Die hier dargestellte
Vorspannfederbaugruppe 75 kann jede allgemeine konventionelle
Konfiguration und Konstruktion aufweisen und deren Einzelheiten
bilden keine wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung. Was
für die
Baugruppe 75 von Bedeutung ist, ist der Umstand, dass sie
eine wesentlich größere Vorspann-
oder Rückstellkraft
als in typischen Fluidsteuergeräten
vom Stand der Technik bereitstellt, was im folgenden ausführlicher
beschrieben werden wird.
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Erneut
auf 1 Bezug nehmend werden weitere Aspekte des Systems
beschrieben werden. Dem Lenkrad W (oder mit einem Teil der Lenksäule usw.)
ist ein Lenkradpositionssensor 103 wirkungsmäßig zugeordnet,
der zu der ECU 25 ein Signal 105 überträgt, das
repräsentativ
für die
augenblickliche Lenkradposition ist. Ähnlich dazu ist ein Radpositionssensor 107 für die gelenkten
Räder wirkungsmäßig den
gelenkten Rädern
oder der Abtriebswelle 37 bzw. einem anderen Teil der Lenkverbindung
zugeordnet und überträgt zu der
ECU 25 ein Signal 109, das repräsentativ
für die
augenblickliche Stellung der gelenkten Räder ist. Unter den Ausgängen der
ECU 25 befinden sich ein AN/AUS-Befehlssignal 111,
das zur Steuerung der Position des Magnetventils 43 betätigbar ist,
sowie zwei proportionale Befehlssignale 113 und 115,
die zur Steuerung der EHC-Ventile 53 bzw. 55 betätigbar sind.
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Ebenfalls
beinhaltet das Lenksystem zwei Wechselventile 117 und 119.
Das Wechselventil 117 überträgt das höhere der
beiden Lastsignale von den EHC-Ventilen 53 und 55 als
ein Lastsignal 121, das einen der Eingänge in das Wechselventil 119 bildet, wobei
der andere Eingang das von der SCU 21 stammende Lastsignal 73 ist.
Der Ausgang des Wechselventils 119 ist ein Lastsignal 123,
welches das höhere der
beiden Lastsignale 73 und 121 ist. Das Lastsignal 123 wird
auf eine Weise zurück
zu der Lastsignalkammer des Lasterfassungsprioritätsventils 15 übertragen,
die dem Fachmann wohlbekannt ist. Somit entspricht der Fluiddruckausgang
des Ventils 15 an der Leitung 27 dem höchsten Lastsignal,
das in dem gesamten Lenksystem erfasst worden ist.
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Nun
auf 4 in Zusammenhang mit den 1 bis 3 Bezug
nehmend werden bestimmte signifikante Aspekte der vorliegenden Erfindung
beschrieben werden. In einem typischen beim Stand der Technik vorliegenden
vollständig
fluidgekoppelten Lenksystem des allgemeinen Typs, der schematisch
in 1 illustriert ist, würde die Vorspannfederbaugruppe 75 für eine Verwendung
in einem nicht für Straßen vorgesehenen
Fahrzeug normalerweise so entworfen werden, dass sie gemäß demjenigen Graph
arbeitet, der in 4 als "Stand der Technik" bezeichnet ist. In diesem Fall und
wie für
den Fachmann auf dem SCU-Gebiet wohlbekannt würde das Anlegen eines relativ
kleinen Drehmoments (zum Beispiel 1694 Nm (15 Inchpfund)) an das
Lenkrad W die Spule und die Hülse
relativ zu verlagern beginnen, d.h. die Ventilanordnung 63 würde von
der in den 1 und 2 dargestellten
Neutralstellung in Abhängigkeit
von der Drehrichtung des Lenkrades W entweder zu dem Rechtsdrehungszustand
R oder zu dem Linksdrehungszustand L bewegt werden. Nach mehreren
Grad an relativer Verlagerung der Spule und Hülse würden sich die verschiedenen
Stromsteueröffnungen
(wie z.B. die schematisch in 2 dargestellte
A1-Öffnung)
zu öffnen
beginnen und auf konventionelle Weise unter Druck stehendes Fluid von
dem Einlassanschluss 47 durch den Fluiddosierer 65 und
schließlich
zu einem der Steuerfluidanschlüsse 67 oder 69 übertragen.
Wie im Abschnitt "Hintergrund
der Erfindung" erwähnt stellt
das typische vollständig
fluidgekoppelte Lenksystem vom Stand der Technik sogar dann nicht
dieses Straßengefühl bereit,
das für
akzeptable Lenksysteme von Straßenfahrzeugen
als notwendig erachtet wird, wenn es vom Lastreaktionstyp ist.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die Vorspannfederbaugruppe 75 gemäß des in 4 mit "Erfindung" bezeichneten Graphs gewählt, um
dem erwünschten
Straßengefühl des Systems
allgemein zu entsprechen. Somit und lediglich beispielshalber stellt
die Federbaugruppe 75 sogar bei einer relativ niedrigen
Drehrate des Lenkrades ein Rückstelldrehmoment
im Bereich von etwa 2258 Nm (20 Inchpfund) bis etwa 4516 Nm (40
Inchpfund), und vorzugsweise von etwa 2823 bis etwa 3952 Nm (25
bis etwa 30 Inchpfund) bereit. Es sei darauf hingewiesen, dass im
folgenden und in den beiliegenden Ansprüchen erfolgende Bezüge auf ein bestimmtes
Straßengefühl oder
Rückstelldrehmoment
dasjenige Drehmoment bezeichnen, das bei einem Eingang in das Lenkrad
von im wesentlichen 0 U/min anstatt desjenigen Drehmoments vorliegt,
das vorhanden ist, wenn das Lenkrad mit einer bestimmten wesentlichen
Geschwindigkeit gedreht wird. Die Auswirkungen einer Auswahl der
Rückstellfedern
in Entsprechung zu dem erwünschten
Straßengefühl verstehen
sich anhand der nachfolgenden Beschreibung des Betriebs des Systems
besser. Dabei wird davon ausgegangen, dass es im Vermögen des Fachmanns
auf dem Gebiet von Fluidsteuergeräten und Federbaugruppen liegt,
eine Federbaugruppe 75 mit der erwünschten Beziehung von Vorspannung
zu Drehmoment bereitzustellen.
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Erneut
hauptsächlich
auf 1 Bezug nehmend übertragen die Positionssensoren 103 und 107,
wenn der Fahrzeugführer
das Lenkrad W zu drehen beginnt, Signale 105 bzw. 109 zu
der ECU 25 und zeigen das Vorliegen eines "Fehlers" zwischen den gelenkten
Rädern
und den Lenkradpositionen an. Anfänglich überträgt der ECU kein Befehlssignal 111 zu
dem Ventil 43, sodass das Ventil 43 zu der in 1 dargestellten
Position hin federvorgespannt ist, wobei diese Position einen unbegrenzten
Durchfluss von der Leitung 31 zu der Leitung 45 erlaubt. Zur
gleichen Zeit überträgt der ECU 25 unter
der Annahme, dass das Lenkrad W für eine Rechtsdrehung im Uhrzeigersinn
gedreht worden ist, ein geeignetes Signal 113 zu dem EHC-Ventil 53,
jedoch kein Signal 115 zu dem EHC-Ventil 55. Somit
wird unter Druck stehendes Fluid von der Leitung 31 durch
das EHC-Ventil 53 zu der Leitung 57 und zu der
Leitung 39 übertragen,
sodass sich das Betätigungsglied 19 zu
drehen beginnt und sich die Abtriebswelle 37 bewegt, um
einen Lenkvorgang sogar dann zu bewerkstelligen, bevor eine relative
Verlagerung der Spule 87 und der Hülse 89 auftritt. Das
Ergebnis besteht darin, dass eine im wesentlichen neutrale Nulltotzone vorliegt,
d.h. sobald sich das Lenkrad W zu bewegen beginnt, tritt ein entsprechender
Fluidstrom zu dem Betätigungsglied 19 auf.
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Wie
oben erläutert
besteht ein wichtiger Aspekt der Erfindung in der Bereitstellung
einer Federbaugruppe 75, die über ein Rückstelldrehmoment verfügt, das
dem erwünschten
Straßengefühl annähernd entspricht.
Somit wird, sobald der Fahrzeugführer
das Lenkrad W zu drehen beginnt, Fluid von dem (als eine Handpumpe
fungierenden) Fluiddosierer 65 durch die Leitung 39 "gepumpt", sodass sich das
Betätigungsglied 19 zu
drehen und die Abtriebswelle 37 zu bewegen beginnt, um
einen Lenkvorgang sogar dann zu ermöglichen, bevor eine relative
Verlagerung der Spule 87 und der Hülse 89 auftritt. Ob Fluid
zuerst von dem Fluiddosierer 65 zu dem Betätigungsglied 19 oder
zuerst von der EHC-Ventilbaugruppe 23 zu dem Betätigungsglied 19 übertragen wird,
ist für
die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Es wird davon ausgegangen,
dass in einem kommerziell akzeptablen System der Fluidstrom von dem
Fluiddosierer 65 und von der EHC-Ventilbaugruppe 23 nahezu
gleichzeitig und rasch genug auftritt, um eine im wesentlichen neutrale
Nulltotzone zu bewerkstelligen.
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Wie
oben erwähnt
wird das unter Druck stehende Fluid in der Leitung 39 zu
dem Betätigungsglied 19 übertragen
und die Abtriebswelle 37 beginnt sich in einem Versuch,
das Fehlersignal auf Null zu setzen, zu drehen. Zur gleichen Zeit
wird der Druck in der Leitung 39 zurück zu der Ausgangseite des
Fluiddosierers 65 übertragen,
da die SCU 21 vom Lastreaktionstyp ist, während sich
die Ventilanordnung 63 zu diesem Zeitpunkt immer noch in
der Neutralstellung befindet. Der von der Leitung 39 zu
dem Fluiddosierer 65 übertragene
Druck übt
eine "rückwärtige" Vorspannkraft aus
und widersteht der normalen Umlauf- und Drehbewegung des Sterns 95.
Somit bilden das Drehmoment der Vorspannfederbaugruppe 75 und
die Auswirkungen des in der Leitung 39 vorliegenden Drucks
gemeinsam das Straßengefühl, das von
dem Fahrzeugführer
bei der Drehung des Lenkrades W wahrgenommen wird.
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Während des
laufenden Betriebs des Lenksystems der vorliegenden Erfindung wird
immer dann, wenn eine Diskrepanz zwischen dem Lenkradpositionssignal 105 und
dem Positionssignal 109 der gelenkten Räder vorliegt, wird ein geeignetes
Befehlssignal zur Korrektur des Fehlers von der ECU 25 zu
der EHC-Ventilbaugruppe 23 gesendet.
Wenn zum Beispiel unter der Annahme, dass das Lenkrad W immer noch
für eine
Rechtsdrehung im Uhrzeigersinn gedreht wird, der ECU 25 einen
Fehler erfasst, der angibt, dass die Stellung der gelenkten Räder hinter
der erwünschten
Position zurückbleibt,
wird ein Befehlssignal 113 zu dem EHC-Ventil 53 gesendet, was
dazu führt,
dass Fluid von der Leitung 31 durch das EHC-Ventil 53 zu
der Leitung 57 und danach zu der Leitung 39 fließt und als
ein Verstärker
für das von
der SCU 21 zu dem Betätigungsglied 19 übertragene
Fluid dient. Wenn daher das Fehlersignal an der ECU 25 auf
Null gesetzt worden ist, ist es für das System sicher, dass eine "Registrierung" zwischen den Positionen
des Lenkrades und der gelenkten Rädern vorliegt, und zwar sowohl
während
eines normalen Lenkvorganges wie auch an der Ausschlagsgrenze, d.h.
dort wo die gelenkten Räder
die Anschläge erreichen.
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Nun
hauptsächlich
auf 5 Bezug nehmend wird der Unterschied zwischen
der vorliegenden Erfindung und einem typischen hydrostatischen Servolenksystem
deutlicher werden. Beide Systeme beginnen bei der Nullstellung und
schreiten entlang der nahezu senkrechten Linie fort, bis das Eingangsdrehmoment
zu dem Lenkrad etwa 1355 Nm (12 Inchpfund) erreicht (die Vorbelastung
der Rückstellfedern),
wobei der Winkel der nahezu senkrechten Linie eine Funktion der
Größe des Fluiddosierers 65 ist.
Insofern ist die Erfindung mit dem Stand der Technik vergleichbar,
wobei für
jeden Fall die gleiche Dosiermenge angenommen wird. Mit dem System
vom Stand der Technik, wird die Neigung der sich von dem Punkt bei
1355 Nm (12 Inchpfund) aus nach rechts erstreckenden Linie durch
die Federrate der SCU-Rückstellfedern
bestimmt. Wichtig ist hier darauf hinzuweisen, dass wenn zum Beispiel
eine Reaktionskraft von etwa 81295 Nm (60 Fußpfund) durch die Straße bewirkt
wird, der Fahrer mit den Systemen vom Stand der Technik niemals
mehr als etwa 1468 Nm (13 Inchpfund) an Straßengefühl wahrnehmen wird.
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Immer
noch auf 5 Bezug nehmend repräsentiert
bei der vorliegenden Erfindung der obere Teil der nahezu senkrechten
Linie denjenigen Betriebsbereich, der für die vorliegende Erfindung
einzigartig ist und in dem die SCU 21 lediglich als eine Handpumpe
fungiert, bis das Eingangsdrehmoment für das Lenkrad etwa 2936 Nm
(26 Inchpfund) erreicht (die Vorbelastung der Rückstellfederbaugruppe 75).
An diesem Punkt erstreckt sich die Linie nach oben und nach rechts
("Erfindung"), deren Neigung ebenfalls
durch die Federrate der Rückstellfedern 75 bestimmt
wird. Gemäß eines
wichtigen Aspekts der Erfindung würde, wenn wiederum die gleiche
Reaktionskraft von etwa 81295 Nm (60 Fußpfund) durch die Straße bewirkt
wird, der Fahrer nun ein Straßengefühl von etwa
3387 Nm (30 Inchpfund) wahrnehmen würde, was eine viel bessere
Situation für
die Fahrt als dies beim Stand der Technik der Fall ist.
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Gemäß US-A-5
960 694 wird, wenn sich die gelenkten Räder an irgendeine vorbestimmte
Position wie z.B. die Ausschlagsendanschläge annähern und obwohl sich sogar
das Fehlersignal typischerweise an einen Nullwert annähert, der
ECU 25 ein geeignetes Signal 113 bzw. 115 generieren,
und zwar je nach dem, welches der EHC-Ventile 53 und 55 an der "Hochdruck"-Seite des Systems
liegt. Zur gleichen Zeit wird ein geeignetes Befehlssignal 111 zu dem
Ventil 43 übertragen,
das die Vorspannkraft der Feder überwindet
und das Ventil 43 zu der Position hin vorspannt, bei der
ein Durchfluss von der Leitung 31 zu der Leitung 45 blockiert
wird, was es ermöglicht,
dass der Druck in der Leitung 31 höher als der Druck in der Leitung 45 ist.
Somit wird, wenn unter Druck stehendes Fluid in die Hochdruck-Leitung 39 oder 41 eingeleitet
worden ist, gerade dann, wenn die gelenkten Räder ihre vorbestimmte Position
erreichen, durch die rückwärts wirkende
Vorspannung auf den Fluiddosierer 65 wie zuvor beschrieben
jede weitere Drehung des Lenkrades W vermieden. Somit wird in dem
Fall, wenn die vorbestimmte Position der Anschlag der Ausschlagsstrecke
ist und die gelenkten Räder
den Anschlag erreichen, der Fahrzeugführer das Lenkrad W nicht mehr
weiter drehen können, und
das Ergebnis ist das gleiche, wie wenn kein Ausschlagsgrenzschlupf
vorläge.
Das Ende dieser eben beschriebenen Ausschlagsbedingung kann als
ein spezieller Fall hinsichtlich der allgemein bestehenden Erfordernis
nach einer Aufrechterhaltung der Registrierung der gelenkten Räder zu dem
Lenkrad betrachtet werden.
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Bei
dem Entwurf eines hydrostatischen Lenksystems ist einer der zu berücksichtigenden Faktoren
die Beziehung zwischen der Fluidverdrängung des Fluiddosierers 65 und
der Verlagerung des Betätigungsglieds 19.
Mit dem System der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Alternativen
möglich.
Der Fluiddosierer 65 könnte
die gleiche Verdrängung
wie das Betätigungsglied 19 aufweisen
(geteilt durch das Anschlags-zu-Anschlags-Verhältnis des Systems). Wahlweise
könnte
der Fluiddosierer 65 etwas kleiner sein, wobei es in diesem
Fall eine Hinzufügung
von Fluid durch die EHC-Ventilbaugruppe 23 notwendig wäre. Schließlich könnte der
Fluiddosierer 65 auch etwas größer als das Betätigungsglied 19 sein
(geteilt durch das Anschlags-zu-Anschlags-Verhältnis), wobei in diesem Falle
ein Abziehen von Fluid durch die EHC-Ventilbaugruppe 23 erforderlich
wäre. Für den Fachmann
sollte sich verstehen, dass sich die Erfindung nicht auf irgend
eine bestimmte Anordnung der EHC-Ventilbaugruppe 23 begrenzt,
und die beiliegenden Ansprüche
beabsichtigen sowohl eine "dazufügende" Dosieranordnung,
bei der Fluid durch die Baugruppe 23 hinzugefügt wird,
wie auch eine "abziehende" Dosieranordnung
einzuschließen,
bei der Fluid durch die Baugruppe 23 abgeführt wird.
Dabei wird vom Vermögen
des Fachmanns ausgegangen, den in 1 dargestellten
Kreis jeweils so zu modifizieren, dass er eine dieser beiden bzw.
weitere ähnlich
wichtige Anordnungen bewerkstelligen kann.
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Die
vorliegende Erfindung könnte
auch dazu verwendet werden, eine Form von "Strömungsverstärkung" bereitzustellen,
wobei sich dieser Begriff auf dem Gebiet der hydrostatischen Servolenkung mittlerweile
versteht. In diesem Falle würde
die EHC-Ventilbaugruppe 23 dahingehend gesteuert werden,
dass sie nicht nur das notwendige "Ansatz"-Fluid zur Nullsetzung eines jeglichen
Fehlersignals bereitstellte, sondern zusätzlich eine bestimmte Menge
an zusätzlichem
Fluid zuführen
würde,
so dass die gesamte Strömung
in das Betätigungsglied 19 stets
ein bestimmtes Mehrfaches der Menge an von dem Fluiddosierer 65 fließendem Fluid
wäre. Das mehrfache
(Strömungsverstärkungs)-Verhältnis könnte konstant
oder auch variiert und zugeschnitten werden, um sich an Faktoren
wie z.B. die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Drehungswinkel usw. anzupassen.
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Die
Erfindung ist in der obigen Spezifikation ausführlich beschrieben worden und
es wird davon ausgegangen, dass sich für den Fachmann anhand dieser
Spezifikation verschiedene Abänderungen und
Modifizierungen der Erfindung ergeben. Es ist beabsichtigt, dass
alle derartigen Abänderungen
und Modifizierungen in die Erfindung eingeschlossen werden, so lange
sie in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen.