DE10015051A1 - Vorrichtung zur Verringerung von Druckpulsationen - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung zur Verringerung von Druckpulsationen in Hydrauliksystemen, insbesondere in Servolenkungsanlagen für Kraftfahrzeuge, ist zwischen der Servopumpe und der Servolenkung eingesetzt und besteht aus einem steifen zylindrischen langgestreckten Gehäuse, das mit einem Einlaß und mit einem Auslaß versehen ist, wobei in das Gehäuse ein Dämpfungselement eingesetzt ist, welches den Strömungsweg des Hydraulikmediums gegenüber der axialen Länge des Gehäuses verlängert und zugleich die Strömung umlenkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung von Druckpulsationen in Hydrauliksystemen, insbesondere in Servolenkungen für Kraftfahrzeuge, die zwi­ schen der Servopumpe und der Servolenkung eingesetzt ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Kinematik der in Hydraulikkreisläufen meist ein­ gesetzten hydrostatischen oder anderen Pumpen, insbesondere in Servolenkungsanlagen für Kraftfahrzeuge sowie die Betä­ tigung von Armaturen, Ventilen und Stelleinrichtungen führt zu Schwingungen, die wesentliche Ursache unerwünschter Ge­ räusche in den Hydrauliksystemen sind. Weitere Folgen sind unter anderem eine erhöhte festigkeitsmäßige Beanspruchung der Rohrleitungen, deren Befestigungen sowie der ange­ schlossenen Verbraucher.

So erfolgt beispielsweise die Versorgung der Servolen­ kung für ein Kraftfahrzeug und andere hydraulische Verbrau­ cher über hydraulische Verdrängereinheiten. Diese erzeugen aufgrund des diskontinuierlichen Fördervorganges Druck- und Volumenstrompulsationen, die sich über das Hydraulikmedium im Leitungssystem fortpflanzen. Speziell bei Servolenkungen sind diese Pulsationen unerwünscht.

Auch aus Gründen einer toleranzbehafteten Pumpenferti­ gung sowie aus anderen veränderlichen Betriebszuständen kommt es am Ausgang der Servopumpe zu Volumenstromschwan­ kungen. Durch die nachgeschalteten hydraulischen und mecha­ nischen Impedanzen wird die Volumenstromschwankung in eine Druckpulsation umgesetzt.

Unterschiedliche Bauteile des Lenksystems, d. h. Pum­ pe, Zulaufleitung, Servolenkung, Rücklaufleitung und andere Schnittstellen zum Fahrzeug werden dadurch zu Schwingungen angeregt. Der Körperschall kann über die Lenksystemanbin­ dungen ins Fahrzeuginnere übertragen werden. Außerdem wird oftmals von Bauteilen des Lenksystems Luftschall direkt abgestrahlt.

Um ein günstiges Geräuschverhalten zu erzielen, gilt es, die Körperschallausbreitung bzw. die Luftschallabstrah­ lung zu verhindern, dass heißt, die Druckpulsation mög­ lichst stark abzudämpfen, sodass weder Körper- noch Luft­ schall entsteht.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Servopumpen von Servolenkungsanlagen über Dehnschläuche an die Servo­ lenkung, d. h. das Lenkgetriebe, anzubinden. Durch eine fahrzeugspezifische Anordnung von Stahlleitungen und Dehn­ schläuchen, die auch Drosselstellen und Resonatoren aufwei­ sen können, soll eine möglichst hohe Pulsationsdämpfung und damit eine geringe Luftschallabstrahlung und eine Körper­ schalleinleitung in das Fahrzeug erzielt werden. Die Redu­ zierung der Druckpulsationen und Geräusche hängt von der Länge, dem Querschnitt und der Volumendehnung des Dehn­ schlauches ab. Da man jedoch bei einem Kraftfahrzeug wegen des knappen zur Verfügung stehenden Platzes für den Einbau des Dehnschlauches dessen Dimensionierung nicht beliebig wählen kann, ist das erzielte Ergebnis in vielen Fällen nicht befriedigend.

Aus der EP B 471044 ist ein Dehnschlauch zur Verringe­ rung von in Hydrauliksystemen von der Pumpe ausgelösten Druckpulsationen und den damit verbundenen Geräuschen be­ kannt. Dieser Dehnschlauch weist einen äußeren Druck­ schlauch mit hoher Volumenquerdehnung und einen koaxial zu diesem angeordneten zum Leiten eines Druckmediums geeigne­ ten inneren flexiblen Hohlkörper auf, der einlaßseitig an einen Nippelzapfen angeschlossen ist und der axiale Durch­ lässe in das Innere des flexiblen Hohlkörpers und in den Ringraum zwischen Hohlkörper und Druckschlauch aufweist. Der innere flexible Hohlkörper erstreckt sich bis in das auslaßseitige Endstück in dessen Auslaßkanal, wobei sein Außendurchmesser kleiner ist als der ihn umschließende Aus­ laßkanal. Der innere Hohlkörper kann dabei als Schlauch mit über die Länge verteilt angeordneten radialen Durchlaßöff­ nungen ausgebildet sein, während im Druckschlauch zusätz­ lich ein Drosselglied mit einem axialen Drosseldurchlaß vorgesehen sein kann, durch welches der Druckschlauch in mehrere Kammern unterteilt wird.

Ferner ist aus der EP B 679832 eine Vorrichtung zum Reduzieren von in einer Hydraulikleitung durch eine Pumpe verursachte Druckpulsationen mit einem Ausgleichsvolumen bekannt, welches mit der Leitung verbunden ist, wobei das Volumen eine verschiebliche Wandung aufweist. Diese ver­ schiebliche Wandung ist an der dem Volumen entgegengesetz­ ten Oberfläche mit einem Gegendruck beaufschlagt, der nahe­ zu dem mittleren Druck in der Hydraulikleitung entspricht. Diese verschiebliche Wandung dient dazu, die durch die Pum­ pe verursachten Druckpulsationen aufzunehmen bzw. auszu­ gleichen. Dabei wird der Ausschlag der Membran mechanisch begrenzt, damit Änderungen des statischen Drucks aufge­ bracht werden können und das Medium nicht nur in den Dämp­ fer, sondern auch in das Lenkgetriebe fließt. Die ver­ schiebliche Wandung soll dabei den statischen Anteil des Druckes übertragen und den Wechselanteil des Druckes min­ dem bzw. dämpfen. Zu diesem Zweck ist die Wandung an der dem Ausgleichsvolumen entgegengesetzten Wandung mit einer Kraft zu beaufschlagen, welche dem mittleren statischen Systemdruck entspricht.

Diese Kompromißlösungen zwischen geeigneter Körper­ schallisolierung, Luftschallabstrahlung und Pulsationsdämp­ fung sind jedoch komplex im Aufbau und nur beschränkt ein­ setzbar, da sie vom Layout des Lenksystems und vom Fahrzeug abhängen.

Fig. 1a zeigt eine bekannte Anordnung mit mehreren Einzelschläuchen bzw. mit Schläuchen und Drosselstellen, wobei die Servopumpe 1 über mehrere hydraulische Induktivi­ täten 4 und hydraulische Kapazitäten 3 an die Servolenkung, d. h. das Lenkgetriebe 2 angeschlossen ist. Es entstehen dadurch hintereinander geschaltete hydraulische Schwin­ gungssysteme mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen. Durch Strömungsverluste aufgrund von Reibung an der Rohrinnenwand und der Drosselstellen und über die innere Reibung des Dehnschlauches aufgrund von Werkstoffreibung beim Atmen des Schlauches wird eine Pulsationsdämpfung erreicht. Durch Modifikation von hydraulischer Induktivität und Kapazität kann das Frequenzverhalten verändert werden.

Ein Ersatzschaltbild für diese Anordnung ist schema­ tisch in Fig. 1b dargestellt.

Fig. 2a zeigt eine bekannte Vorrichtung in Form eines Schlauches mit Resonator und Fig. 2b das dazugehörige schematische Ersatzschaltbild. Es handelt sich hierbei um eine Schlauchleitung mit einem innen liegenden flexiblen Rohr 10, wobei zwischen dem Rohr 10 und dem Schlauch 9 ein Ringkanal 11 ausgebildet ist. Über die Gesamtlänge des Roh­ res sind an verschiedenen Stellen Bohrungen 6 angebracht, die eine Verbindung zum äußeren Ringkanal herstellen. Der Kanal des inneren Rohrs kann als eine Serienschaltung von hydraulischen Induktivitäten 5 angesehen werden. Die Boh­ rungen 6 stellen einen realen Strömungswiderstand zum äuße­ ren Ringkanal dar. Die einzelnen Bohrungen werden über hy­ draulische Induktivitäten 8 des Ringkanals miteinander ver­ bunden. Die Schlauchnachgiebigkeit kann als eine über die Schlauchlänge verteilte hydraulische Kapazität 7 angesehen werden.

Die Weiterleitung der Druckpulsation entlang der Schlauchlänge kann als Schallausbreitung (Flüssigkeits­ schall im Hydraulikmedium Öl) betrachtet werden.

Es gibt dabei einen festen Zusammenhang zwischen Schallausbreitungsgeschwindigkeit a und der Ersatzkompres­ sibilität der Schlauchanordnung, wobei letztere weitgehend durch die hydraulische Kapazität 7 gemäß dem Ersatzschalt­ bild von Fig. 2b bestimmt wird.

Es gilt:

mit a = Schallgeschwindigkeit
κ = Ersatzkompressibilität
ρ = Dichte des Mediums.

Weiter gilt für eine definierte Schaltgeschwindigkeit:

mit f = Frequenz
λ = Wellenlänge.

Fig. 3 zeigt den Pulsationsverlauf über der Schlauchlänge für eine definierte Frequenz f zu einem gege­ benen Zeitpunkt.

Durch Strömungsverlust und innere Reibung des Schlau­ ches stellt sich eine Dämpfungswirkung ein. Lokale Druckma­ xima bzw. Druckminima können teilweise über den äußeren Ringkanal ausgeglichen werden.

Die am Schlauchende verbleibende Restpulsation wird teilweise an einem konstruktiven Durchmesservorsprung zur Stahlleitung reflektiert.

Der Reflexionsgrad ist dabei eine Funktion der folgen­ den Beziehung (Fig. 6):

wobei der größere Teil in die nachfolgende Stahllei­ tung weitergeleitet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor­ richtung zur Verringerung von Druckpulsationen in Hydrau­ liksystemen, insbesondere in Servolenkungsanlagen für Kraftfahrzeuge, mit besonders hoher Dämpfungswirkung bei geringem baulichem Aufwand zu schaffen.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenem Merkmal; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung sieht also vor, dass die Vorrichtung, die zwischen der Servopumpe und der Servolenkung (d. h. dem Lenkgetriebe) eingesetzt ist, aus einem steifen (zylindri­ schen langgestreckten) Gehäuse besteht, das mit einem Ein­ laß und mit einem Auslaß versehen ist, wobei in dem Gehäuse ein Dämpfungselement angeordnet ist, welches ein den Strö­ mungsweg des Hydraulikmediums gegenüber der axialen Länge des Gehäuses verlängerndes und zugleich die Strömung umlen­ kendes (elastisch verformbares) Bauteil ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeich­ nung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbei­ spiele dargestellt sind.

Fig. 4a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Vorrichtung wird zwi­ schen einer Servopumpe 1 und einer Servolenkung 2 vorgese­ hen. Sie besteht aus einem relativ steifen Gehäuse 16, das aus Stahl oder ähnlichem Material hergestellt werden kann, wobei innerhalb des Gehäuses 16 ein elastischer Schlauch 12 derart angeordnet ist, dass Anfang und Ende sowie alle an­ deren Bereiche des Schlauches relativ nahe beieinander lie­ gen. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schlauch schraubenförmig aufgewickelt.

Der Schlauchanfang 17 ist fest mit dem Einlass 18 des steifen Gehäuses 16 verbunden. Das Schlauchende 14 liegt frei im Gehäusevolumen 13. Der Auslass 15 des steifen Ge­ häuses 16 ist durch ein Rohrstück verlängert, welches sich in etwa bis zur Mitte des Gehäuses in dessen Innenraum er­ streckt.

In Fig. 4b ist ein Ersatzschaltbild für diese Vorrich­ tung dargestellt. Dabei ergibt sich für die Schlauchleitung eine definierte hydraulische Induktivität. Diese ist hier als Serienschaltung vieler Einzelinduktivitäten 19 darge­ stellt.

Da das Gehäuse 16 sehr steif ist, müssen vom Schlauch 12 nur die dynamischen Differenzdrücke aufgenommen werden. Diese Bauteilnachgiebigkeit bzw. hydraulische Kapa­ zität ist im Ersatzschaltbild in Form von kleinen Kolben­ speichern 20 schematisch dargestellt.

Da die Außenflächen des Schlauches 12 relativ nahe beieinander liegen, kann für das Volumen 13 der Vorrichtung ein gleiches ortsunabhängiges Druckpotential angenommen werden. Dieses Druckpotential entspricht dem Potential am Auslass 15 des Gehäuses 16.

Entsprechend der Ersatzkompressibilität und der hy­ draulischen Induktivität läßt sich im Schlauch 12 eine de­ finierte Schallgeschwindigkeit einstellen. Die Länge des Schlauches 12 ist dabei so zu wählen, dass sich entspre­ chend der Beziehung

für die unteren kritischen Pumpenfrequenzen ergibt:
λ ≈ Schlauchlänge.

Örtliche Druckmaxima und Druckminima ergeben am Schlauch örtliche Ausdehnungen bzw. Verengungen, die sich über den hydraulischen Kurzschluß des Volumens 13 im Gehäu­ se teilweise aufheben. Aufgrund der Werkstoffhysterese des Schlauches 12 stellt sich bis zum Schlauchende 13 die ge­ wünschte Dämpfung ein.

Weiter ergibt sich am Schlauchende 13 eine starke Re­ flexion bzw. Pulsationdämmung, da der Übergang zum Volumen im Gehäuse 16 einen erheblichen Querschnittsprung aufweist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein im steifen Gehäuse 16 angeordnetes elastisches Bauteil, das hierbei die Form eines den Innenraum im wesentlichen aus­ füllenden Blockes 21 aufweist, in dessen an der Innenseite des Gehäuses 16 anliegender Außenwand ein spiralförmiger Kanal 22 eingearbeitet ist. Mit 18 ist wieder der Einlaß des Gehäuses 16 und mit 15 der Auslaß bezeichnet. Der Aus­ laß 15 ist mit einer axialen Bohrung 13 verbunden, die sich bis in die Nähe des einlaßseitigen Endes des Blockes 21 erstreckt und als Blindbohrung ausgeführt ist.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind einige der Windungen des spiralförmigen Kanals 22 im Block 21 über radial angeordnete Bohrungen 25 mit der Axialbohrung 13 verbunden.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel (wobei Fig. 9b eine um 90° versetzte Darstellung zu derje­ nigen von Fig. 9a zeigt) ist das Bauteil 23 im steifen Ge­ häuse 16 als Labyrinth, insbesondere als Röhrenlabyrinth mit örtlich definierter Leckage ausgeführt. Die axial an­ geordnete mittige Bohrung 26 steht wieder mit dem Auslaß 15 des Gehäuses 16 in Verbindung; koaxial dazu sind einer oder mehrere axial verlaufende Kanäle 24 vorgesehen, die mit dem Einlaß 18 in Verbindung stehen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des in einem relativ steifen Gehäuse eingesetzten Dämpfungselementes wird der Vorteil einer geringeren Anforderung an die Fe­ stigkeit bei höheren Elastizitäten erzielt, wodurch eine Verbilligung der Herstellung ermöglicht wird. Insbesondere bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Vorteil eines hydraulischen Kurzschlusses von örtlichen Volumenausdehungen und Volumenverengungen des Schlauches 12 ermöglicht, sodass keine Volumenänderungen nach außen ge­ langen und damit auch keine Schallabstrahlung.

Das relativ steife Gehäuse führt zu nur geringen Volu­ menänderungen bei quasi statischem Druckanstieg, wodurch keine Einbußen in der Lenkgeschwindigkeit hingenommen wer­ den müssen.

Da das Dämpfervolumen ein ortsunabhängiges Druckpoten­ tial aufweist, gibt es keine Druckkomponenten, die eine Reaktionskraft nach außen bewirken, sodass keine oder nur sehr geringe Körperschalleinleitungen in die Pumpe bzw. das Lenkgetriebe des Kraftfahrzeuges erfolgen.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung eine kompakte Bau­ weise aufweist, wird die Abhängigkeit vom Fahrzeuglayout und damit der Systemabstimmung verringert.

Ersetzt man den Schlauch 12 des in Fig. 4 dargestell­ ten Ausführungsbeispiels durch ein eingespritztes Gummiele­ ment mit einer entsprechenden Kanalführung, erhält man eine besonders einfache Herstellung und eine leichte Montage.

Ein besonders großer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 vom Schlauchen­ de 14 zum Dämpfervolumen 13 ein großer Querschnittssprung gewährleistet ist, wodurch eine hohe Reflexion der Pulsati­ on und damit eine hohe Pulsationsdämpfung erzielt wird.

Bezugszeichen

1

Pumpe

2

Lenkung

3

Kapazität

4

Induktivität

5

Induktivität

6

Bohrung

7

Kapazität

8

Induktivität

9

Schlauch

10

Rohr

11

Kanal

12

Schlauch

13

Innenraum

14

Schlauchende

15

Auslass

16

Gehäuse

17

Schlauchanfang

18

Einlass

19

Induktivität

20

Kapazität

21

Block

22

Kanal

23

Block

24

Kanal

25

Bohrung

26

Axialbohrung

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Verringerung von Druckpulsationen in Hydrauliksystemen, insbesondere in Servolenkungsanlagen für Kraftfahrzeuge, die zwischen der Servopumpe und der Servolenkung eingesetzt ist, bestehend aus einem steifen zylindrischen langgestreckten Gehäuse, das mit einem Einlaß und das mit einem Auslaß versehen ist und in dem ein Dämp­ fungselement angeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Dämpfungselement (12, 21, 23) ein den Strömungsweg des Hydraulikmediums gegenüber der axialen Länge des Gehäuses (16) verlängerndes, die Strömung umlenkendes, elastisch verformbares Bauteil ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Bauteil (12) ein spi­ ralförmig koaxial zur Längsachse des Gehäuses (16) gewic­ kelter Schlauch ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das einlaßseitige En­ de (17) des Schlauches (12) fest mit dem Einlaß (18) des Gehäuses (16) verbunden ist und dass das auslaßseitige En­ de (14) des Schlauches (12) frei im Inneren (13) des Gehäu­ ses (16) mündet.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslaß (15) des Gehäuses durch ein Rohrstück verlängert ist, dass sich in das Gehäuse (16) erstreckt und teilweise vom Schlauch (12) koaxial umgeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Bauteil ein den Innen­ raum des Gehäuses (16) im wesentlichen ausfüllender Block (21) ist, dessen Außenwand mit einem spiralförmigen Kanal (22) versehen ist, dessen dem Einlaß des Gehäu­ ses (16) zugewandte Stirnseite einen Abstand zum Ein­ laß (18) aufweist und der eine axiale Bohrung (13) auf­ weist, deren dem Einlaß (18) zugewandtes Ende verschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der spiralförmige Ka­ nal (22) über mehrere radiale Öffnungen (25) mit der axia­ len Bohrung (13) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Bauteil ein Röhrenla­ byrinth (23) mit örtlich definierter Leckage ist, das eine axiale Bohrung (26) aufweist, deren dem Einlaß (18) zuge­ wandtes Ende verschlossen ist, sowie mindestens einen par­ allel dazu angeordneten Strömungskanal (24) aufweist.