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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zur Förderung von Hydraulikfluid, welche insbesondere ein Axialrichtung eines Kolbens einen besonders kompakten Aufbau aufweist.
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Kolbenpumpen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Als Kolbenpumpen für Fahrzeugbremsanlagen werden häufig Radialkolbenpumpen verwendet, bei denen wenigstens ein Kolben mittels eines Exzenters hin- und herbewegbar ist. Derartige Kolbenpumpen werden häufig für elektronische Stabilitätssysteme (ESP) oder elektrohydraulische Bremsanlagen (EHB) verwendet. Um bei den bekannten Pumpen eine Rückstellung des Kolbens nach einem erfolgten Hub zu gewährleisten, ist es bekannt, Rückstellfedern zu verwenden. Kolbenpumpen mit Rückstellfedern, die im Exzenterraum angeordnet sind, sind beispielsweise offenbart in der
DE 195 03 621 A1 , der
DE 197 11 557 A1 , der
DE 44 27 612 A1 , der
DE 40 27 848 A1 , der
DE 102 36 853 A1 oder in der
DE 4130 729 A1 . Bei anderen bekannten Bauformen von Kolbenpumpen sind die Rückstellfedern im Druckraum angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine relativ lange Baugröße in Axialrichtung des Kolbens. Weiterhin besteht durch die Anordnung der Rückstellfeder des Kolbens im Druckraum die Gefahr, dass eventuell im Fluid gelöstes Gas im Druckraum ausgast und einerseits zu unerwünschten Geräuschen im Betrieb führt und andererseits zu einem Förderstopp der Kolbenpumpe führen kann.
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Um einen Druckraum gegenüber einem Niederdruckbereich abzudichten ist bei bekannten Kolbenpumpen ein Dichtelement vorgesehen. Eine Verbindung des Niederdruckbereichs mit dem Druckraum wird von einem Einlassventil gesteuert, siehe z. B.
DE 40 27 848 A1 .
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe zur Förderung von Hydraulikfluid mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie besonders kompakt, insbesondere in Axialrichtung des Kolbens, ausgebildet ist. Weiterhin ist die Gefahr des Ausgasens von im Hydraulikfluid gelöstem Gas deutlich reduziert und die erfindungsgemäße Kolbenpumpe ist im Betrieb signifikant geräuschärmer.
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Ein besonders kompakter Aufbau ist weiter dadurch realisierbar, dass das druckraumseitige Kolbenende vorzugsweise als abgestufter Bereich ausgebildet ist, wobei das Dichtelement zwischen Niederdruckbereich und Druckraum der Kolbenpumpe am abgestuften Bereich am Kolben angeordnet ist.
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Um einen besonders einfachen Aufbau zu realisieren, weist das Dichtelement in Axialrichtung des Kolbens vorzugsweise ein vorbestimmtes Axialspiel auf. Dadurch kann das Dichtelement gegenüber dem Kolben zwei Positionen einnehmen, wobei in einer ersten Position eine Abdichtung des Druckraums gegenüber dem Niederdruckbereich erreicht wird und in einer zweiten Position eine Verbindung zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckbereich realisiert wird.
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In einer Ansaugphase der Kolbenpumpe übernimmt das Dichtelement die Funktion eines Einlassventils und stellt eine Verbindung zwischen dem Niederdruckbereich und dem Druckraum her, um Hydraulikfluid in den Druckraum anzusaugen. Mit anderen Worten übernimmt das Dichtelement sowohl die Abdichtfunktion des Druckraums gegenüber dem Niederdruckbereich als auch eine Funktion eines Einlassventils zur Zuführung von Hydraulikfluid in den Druckraum. Dadurch kann auf das bisher im Stand der Technik verwendete Einlassventil verzichtet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Um besonders kostengünstig herstellbar zu sein, ist das im Exzenterraum angeordnete Federelement zur Rückstellung des Kolbens vorzugsweise eine Blattfeder. Die Blattfeder stützt sich vorzugsweise an einer Wand des Exzenterraumes ab. Die Blattfeder kann beispielsweise aus einem Federstahl oder einem Kunststoff hergestellt sein.
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Weiter bevorzugt weist der exzenterseitige Endbereich des Kolbens eine Nut auf, in welcher das Federelement befestigt ist. Dadurch kann eine einfache und sichere Befestigung realisiert werden.
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Vorzugsweise weist das als Blattfeder ausgebildete Federelement eine mittige Öffnung und einen Schlitz auf. Dadurch kann insbesondere eine besonders schnelle und einfache Montage in der im Kolben gebildeten Nut ermöglicht werden. Weiterhin kann das Federelement sehr kostengünstig bereitgestellt werden.
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Das Dichtelement weist vorzugsweise an seinem inneren Umfang wenigstens einen vorstehenden und einen zurückgesetzten Bereich auf. Dadurch wird ermöglicht, dass in der Position des Dichtelements, in welcher eine Verbindung zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckbereich hergestellt ist, das Hydraulikfluid über das Dichtelement an dessen innerer Umfangsseite über den zurückgesetzten Bereich in den Druckraum strömen kann. Es sei angemerkt, dass, wenn das Dichtelement am Kolben angeordnet ist, es auch möglich ist, das unmittelbar am Kolben vorstehende und zurückgesetzte Bereiche ausgebildet sind und eine Überströmung des Dichtelements in der geöffneten Position über die zurückgesetzten Bereiche im Kolben realisiert ist.
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Um während der Druckaufbauphase im Druckraum der Kolbenpumpe eine verbesserte Dichtigkeit zu erreichen und um höhere Drücke im Druckraum zu erzeugen, ist vorzugsweise ein Federelement vorgesehen, welches einen Druck in Axialrichtung auf das Dichtelement ausübt.
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Eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe kann verwirklicht werden, wenn der Kolben vorzugsweise wenigstens einen abgeflachten Bereich am Umfang aufweist, um Hydraulikfluid zum Dichtelement zuzuführen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Zuführung des Hydraulikfluids zum Druckraum.
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Das Dichtelement wird besonders bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial, wie z. B. PA66 oder PEEK hergestellt.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe wird vorzugsweise in Bremsanlagen von Fahrzeugen beispielsweise zur Steuerung und Regelung eines Drucks in einem Radbremszylinder verwendet. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Kolbenpumpe dabei in Verbindung mit elektronischen Steuerungs- und Regelungssystemen der Bremsanlage, wie z. B. ESP, EHB, ASR, usw. verwendet. Da die erfindungsgemäße Kolbenpumpe besonders kompakt und kostengünstig bereitstellbar ist, können die Kosten für derartige Bremssysteme deutlich reduziert werden, so dass ein Einsatz derartiger Bremssysteme auch in kleineren Fahrzeugen rentabel ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Kolbenpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei sich die Kolbenpumpe in der Ansaugphase befindet,
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2 eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Kolbenpumpe, wobei sich die Kolbenpumpe in der Druckphase befindet,
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3 eine schematische, perspektivische Ansicht von Einzelteilen der in den 1 und 2 gezeigten Kolbenpumpe,
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4 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht der Kolbenpumpe in der Druckphase kurz vor dem oberen Totpunkt und
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5 eine schematische Teilquerschnittsansicht der Kolbenpumpe in der Ansaugphase.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 eine Kolbenpumpe 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 umfasst einen Kolben 3, welcher in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Genauer ist der Kolben in einer Stufenbohrung 2a im Gehäuse 2 angeordnet. Der Kolben 3 wird mittels eines Exzenters 22 in Axialrichtung X-X bewegt, wobei der Exzenter 22 in einem Exzenterraum 21 angeordnet ist. In 1 ist ein Pumpenelement der Kolbenpumpe 1 dargestellt, wobei entlang des Umfangs des Exzenterraumes 21 noch mehrere, gleich aufgebaute Kolbenelemente angeordnet sein können.
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Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, weist der Kolben an seinem druckraumseitigen Ende einen abgestuften Bereich 3a auf. An diesem abgestuften Bereich 3a ist ein ringförmiges Dichtelement 4 und ein Federelement 7 angeordnet, welche durch ein plattenförmiges Halteelement 8 am abgestuften Bereich 3a fixiert werden. Das plattenförmige Halteelement 8 ist mittels einer Presspassung oder mittels Verstemmen in einer Ausnehmung 3c im Kolben 3 befestigt. Am Kolben 3 sind weiterhin drei abgeflachte Kolbenbereiche 3b am Umfang ausgebildet, um eine Verbindung zwischen einem Niederdruckbereich 18 der Kolbenpumpe und dem Dichtelement 4 bereitzustellen (vgl. insbesondere 1 und 2).
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Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst das Federelement 7 einen im Wesentlichen ringförmigen Basisbereich 7a und eine Vielzahl von am Basisbereich 7a gebildeten Federzungen 7b. In diesem Ausführungsbeispiel sind sechs Federzungen 7b am Basisbereich 7a gebildet. Die Federzungen 7b stehen in Axialrichtung des Kolbens gegenüber dem Basisbereich 7a etwas vor und üben eine Federkraft FF auf das Dichtelement 4 aus. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 4 an seinem inneren Umfang mit mehreren vorstehenden Bereichen 5 und mehreren zurückgesetzten Bereichen 6 ausgebildet. Die vorstehenden Bereiche 5 und die zurückgesetzten Bereiche 6 sind dabei abwechselnd am inneren Umfang des Dichtelements 4 angeordnet und weisen eine flächenhafte Form auf. Die Größe der Flächen der vorstehenden Bereiche 5 und der zurückgesetzten Bereiche 6 ist dabei ungefähr gleich.
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Weiterhin ist eine Rückstellfeder 16 zur Rückstellung des Kolbens 3 vorgesehen. Die Rückstellfeder 16 ist im Exzenterraum 21 der Kolbenpumpe 1 angeordnet. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die Rückstellfeder eine Blattfeder, mit einem Basisbereich 16a und zwei seitlich am Basisbereich 16a gebildeten Abstützbereichen 16b und 16c. Im Basisbereich 16a ist eine mittige Ausnehmung 16d sowie ein Schlitzbereich 16e vorgesehen. Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, ist die blattfederartige Rückstellfeder 16 unmittelbar am Kolben 3 in einer Nut 23 befestigt. Der Durchmesser der inneren Ausnehmung 16d entspricht dabei dem Durchmesser der am Kolben 3 gebildeten Nut 23. Durch das Vorsehen des schlitzförmigen Bereichs 16e wird dabei eine einfache Montage der Rückstellfeder 16 am Kolben 3 ermöglicht. Weiterhin kann durch die Breite des schlitzförmigen Bereichs 16e die Federkraft der Rückstellfeder 16 gewählt werden.
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Wie weiter aus den 1 und 2 ersichtlich ist, weist die Kolbenpumpe 1 ein Auslassventil 11 auf, welches eine Kugel 12 und eine Rückstellfeder 13 umfasst. Das Auslassventil 11 ist im Wesentlichen in einer Ausnehmung in einem Verschlusselement 14 zum Verschließen der Stufenbohrung 2a angeordnet. Zwischen dem Auslassventil 11 und dem Kolben 3 ist ein Druckraum 9 angeordnet, in welchem der gewünschte Druck durch die Bewegung des Kolbens 3 aufgebaut wird. Der Druckraum 9 wird gegenüber den Niederdruckbereich 18 mittels dem Dichtelement 4 abgedichtet, wobei das Dichtelement 4 auch noch zusätzlich die Funktion eines Einlassventils übernimmt, was später beschrieben wird. Hydraulikfluid wird dem Niederdruckbereich 18 über die beiden Zufuhrleitungen 17 zugeführt und der Niederdruckbereich 18 wird gegenüber dem Exzenterraum 21 mittels eines Dichtrings 19 und eines Führungsrings 20 abgedichtet. Der Sitz des Auslassventils 11 ist an einer Ventilsitzplatte 10 gebildet, wobei der Ventilsitz der Platte 10 an einer mittigen Durchgangsöffnung 10a ausgebildet ist, welche durch das Auslassventil 11 freigegeben bzw. verschlossen wird. Druckleitungen 15, welche beispielsweise zu den Radbremszylindern des Fahrzeugs führen, sind dem Auslassventil 11 nachgeordnet.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe insbesondere unter Bezugnahme auf die 1, 2, 4 und 5 beschrieben. Die 1 und 5 zeigen dabei die Ansaugphase der Kolbenpumpe und die 2 und 4 zeigen verschiedene Zustände der Druckphase. Die Ansaugphase der Kolbenpumpe 1 beginnt unmittelbar nach der Richtungsumkehr nach Erreichen des oberen Totpunktes. Wie aus den 4 und 5 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 4 derart am Kolben 3, genauer am abgestuften Bereich 3a, angeordnet, dass es ein in Axialrichtung X-X vorhandenes Spiel S aufweist. Wie aus 5 ersichtlich ist, bewegt sich der Kolben 3 in der Ansaugphase in Richtung des Pfeils A. Dabei ist das Dichtelement 4 vom abgestuften Bereich 3a entsprechend dem Spiel S beabstandet. Das Federelement 7, welches zwischen dem Dichtelement 4 und dem Halteelement 8 angeordnet ist, wird in der Ansaugphase durch die Bewegung des Dichtelements 4 zusammengedrückt, so dass die Federzungen 7b in Richtung des Halteelements 8 etwas zusammengedrückt sind. In dieser Stellung des Dichtelements 4 ist eine Verbindung zwischen dem Niederdruckbereich 18 der Kolbenpumpe und dem Druckraum 9 über das Spiel S und die zurückgesetzten Bereiche 6 des Dichtelements 4 offen, was durch die Pfeile in 5 angedeutet ist. Somit wird Hydraulikfluid aus dem Niederdruckbereich 18 in den Druckraum 9 angesaugt. Die zurückgesetzten Bereiche 6 des Dichtelements 4 dienen dabei als Überströmbereiche, um das Dichtelement 4 zu überströmen. Zwar versucht das Federelement 7 das Dichtelement 4 gegen den abgestuften Bereich 3a zu drücken, jedoch ist die in der Ansaugphase entgegen der Federkraft FF wirkende Reibkraft FK zwischen dem Dichtelement 4 und der Stufenbohrung 2a größer, so dass die in 5 dargestellte Position des Dichtelements während der Ansaugphase relativ zum Kolben 3 beibehalten wird.
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Nach Erreichen des unteren Totpunktes kehrt sich die Bewegungsrichtung des Kolbens 3 um und der Kolben bewegt sich in Richtung des Pfeils B, wie in 2 gezeigt. Aufgrund der Richtungsumkehr ändert sich die Richtung der Reibkraft FK zwischen dem Dichtelement 4 und der Stufenbohrung 2a des Gehäuses 2, so dass sich das Dichtelement 4 an den abgestuften Bereich 3a am Kolben 3 anlegt, wie in den 2 und 4 gezeigt. Somit ist das Spiel S nun zwischen dem Dichtelement 4 und dem Halteelement 8 vorhanden (vgl. 4). Das Dichtelement 4 wird zusätzlich noch durch die Federkraft FF des Federelements 7 und eine Axialkraft FA gegen den abgestuften Bereich 3a gedrückt. Die Axialkraft FA resultiert dabei aus dem im Druckraum 9 unter Druck stehenden Hydraulikfluid. Ferner liegt das Hydraulikfluid aus dem Druckraum auch an der radialen Innenseite des Dichtelements 4 an und erzeugt eine Radialkraft FR. Dadurch wird das Dichtelement 4 zusätzlich noch gegen die Stufenbohrung 2a gedrückt.
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Während der Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Pfeils B steigt der Druck im Druckraum 9 kontinuierlich an, wobei das Auslassventil 11 so lange geschlossen bleibt, wie der Druck im Druckraum 9 kleiner als der Druck in der Druckleitung 15 ist. Wenn der Druck im Druckraum 9 größer als der Druck in der Druckleitung 15 wird, öffnet das Auslassventil 11, was in 4 dargestellt ist. Dieser Zustand wird kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens erreicht.
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Nach Erreichen des oberen Totpunkts kehrt sich die Bewegungsrichtung des Kolbens 3 wieder um und das als Einlassventil ausgebildete Dichtelement 4 öffnet wie vorher beschrieben, so dass der Druck im Druckraum 9 absinkt und das Auslassventil wieder geschlossen wird.
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Somit kann das Dichtelement 4 relativ zu dem Kolben 3 zwei Positionen einnehmen, nämlich eine erste Position in einer Ansaugphase der Kolbenpumpe, in welcher das Dichtelement 4 vom abgestuften Bereich 3a beabstandet ist, und eine zweite Position, in welcher das Dichtelement 4 am abgestuften Bereich 3a anliegt und den Druckraum 9 gegen den Niederdruckbereich 18 abdichtet.
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Die Rückstellung des Kolbens 3 erfolgt dabei mittels der Rückstellfeder 16, welche im Exzenterraum 21 angeordnet ist. Da die Rückstellfeder 16 im Exzenterraum 21 angeordnet ist, kann die Kolbenpumpe 1 einen in Axialrichtung X-X des Kolbens besonders kompakten Aufbau aufweisen. Durch die Ausbildung des Dichtelements 4 mit der Doppelfunktion des Abdichtens des Druckraums 9 während der Druckphase der Kolbenpumpe und der Einlassventilfunktion während der Ansaugphase der Kolbenpumpe, kann weiterhin die Bauteilezahl der Kolbenpumpe reduziert werden, so dass die erfindungsgemäße Kolbenpumpe besonders kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin sind keine komplizierten Bauteilgeometrien notwendig, so dass die Gesamtkosten für die Kolbenpumpe signifikant reduziert werden können.