DE10163764C1 - Hydropneumatischer Druckspeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Druckspeicher mit einem Gasraum und einem Fluidraum. Diese beiden Räume werden flüssigkeits- und gasdicht von einem Metallbalg getrennt, der an seinem einen Ende mit einem Deckel verschlossen ist. Erfindungsgemäß sind zwischen den einzelnen Wellen des Metallbalges sowohl auf seiner radialen Innen- als auch auf seiner Außenseite in Radialrichtung formschlüssig in die jeweiligen Wellen eingreifende Axialabstützungselemente eingebracht. Bei einer durch Druckunterschiede hervorgerufene Kontraktion zwischen der Gasseite und der Flüssigseite dienen die Axialabstützungselemente als Anschläge, auf denen sich die Wellen des Metallbalges aufsetzen können und dadurch bei der Kontraktion des Balges nicht zusammengedrückt und beschädigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Druckspeicher mit einem Gas­ raum und einem Fluidraum und einen diese beiden Räume voneinander flüssig­ keits- und gasdicht trennenden Metallbalg.

Der Einsatz von Metallbälgen in hydropneumatischen Druckspeichern zur Tren­ nung des Flüssigkeitsraums vom Gasraum bietet im Gegensatz zur Verwendung von Elastomermembranen den Vorteil, dass diese selbst bei einem Einsatz über einen langen Zeitraum nicht porös werden. Sie zeichnen sich daher durch eine hohe Zuverlässigkeit selbst bei sehr langen Betriebszeiten aus, da sie stets dicht sind und nicht die Gefahr besteht, dass Gas in den Flüssigkeitskreislauf gelangt und dadurch die Funktion des Druckspeichers stört.

Damit der hochelastische, weiche Metallbalg bei seinem Einsatz nicht beschä­ digt wird, muss stets gewährleistet sein, dass bei den Bewegungszyklen, die der Metallbalg im Laufe seines Einsatzes durchführt, seine Wellen nicht zu weit zu­ sammengedrückt und dadurch irreversibel verformt bzw. sogar zerstört werden. Dies gilt insbesondere für solche Bauformen, bei denen sich der Gasraum auf der Außenseite des Balgs und der Flüssigkeitsraum auf dessen Innenseite be­ findet. Um eine Beschädigung des Metallbalgs durch übermäßige Kompression zu vermeiden, ist es notwendig, - wie beispielsweise in DE 199 24 807 A1 - auf der Flüssigkeitsseite des Druckspeichers ein Ventil einzubauen. Beim Erreichen einer gewünschten Endstellung des Metallbalges tritt das Ventil in eine Sperr­ stellung und verhindert dadurch ein weiteres Ausströmen von Hydraulikflüssig­ keit aus dem Ölraum. Bei geschlossenem Ventil bleibt somit, selbst wenn das angeschlossene Hydrauliksystem drucklos werden sollte, im Fluidraum des Speichers ein Druck aufrechterhalten, der dem im Gasraum herrschenden Druck entspricht, so dass am Metallbalg beidseits Druckgleichgewicht herrscht. Da­ durch wird ein zu starkes Komprimieren und mit einer Überbelastung des Balges bei Drucklosigkeit des angeschlossenen Hydrauliksystems verhindert.

Hydropneumatische Druckspeicher werden häufig bei Bremsanlagen von Fahr­ zeugen eingesetzt. Sie müssen daher höchsten Sicherheitsstandards genügen. Die bei Metallbalgspeichern eingesetzten Ventile müssen äußerst präzise gefer­ tigt werden, damit sie auch bei sehr hohen Bewegungszyklen und einer langen Lebensdauer stets absolute Dichtheit gewähren. Die Ventile, die aufwendig zu sehr hohen Kosten gefertigt werden müssen, bergen dennoch stets das Risiko, den Fluidraum nicht hundertprozentig abzudichten, und dadurch eine Beschädi­ gung des Metallbalgs und damit der Bremsanlage des Fahrzeugs herbeizufüh­ ren. Zur Gewährleistung der hohen Sicherheitsstandards werden teilweise Weg­ sensoren eingebaut, die die Stellung des Metallbalges überwachen, damit er nicht durch zu starke Kompression beschädigt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckspeicher zur Verfügung zu stellen, bei dem die Gasseite und die Flüssigkeitsseite zuverlässig von einem Metallbalg getrennt sind und bei dem eine Beschädigung des Metallbalges durch zu starke Kompression auf kostengünstige und zuverlässige Weise aus­ geschlossen ist.

Die Aufgabe wird bei einem hydropneumatischen Druckspeicher gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass der Metallbalg auf sei­ ner radialen Innen- und Außenseite in Radialrichtung formschlüssig in seine Wellen eingreifende Axialabstützungselemente aufweist, und dass die Axialab­ stützungselemente eine geringe Flexibilität aufweisen und dadurch nahezu in­ kompressibel sind.

Die zwischen den Wellen des Balges eingebrachten Elemente dienen zur Ab­ stützung des Balges im Fall einer Kompression, die beispielsweise durch Druck­ unterschiede zwischen Flüssigseite und Gasseite auftritt. In diesem Fall sitzen die Wellen des Balges auf den Axialabstützungselementen auf und werden nicht bis in gegenseitige Anlage zusammengedrückt und dadurch beschädigt. Im Falle der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es möglich, auf ein kostenintensives Ventil zur Aufrechterhaltung des Druckes auf der Fluidseite und auf Wegsenso­ ren zu verzichten. Die zwischen den Wellen des Balges eingebrachten Elemente sind zuverlässig und störungsfrei und gewähren die notwendige Abstützung. Im Gegensatz zu dem Einsatz eines Ventils sind bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung keine Funktionsstörungen mehr möglich. Weiterhin weist die erfin­ dungsgemäße Konstruktion gegenüber dem Stand der Technik erhebliche Kos­ tenvorteile auf.

Dadurch, dass die Axialabstützungselemente nahezu inkompressibel sind, das heißt, eine geringe Elastizität aufweisen, werden sie bei der Kompression des Balges nicht nennenswert verformt, wodurch die maximal komprimierbare Stel­ lung des Metallbalges präzise vorgebbar ist.

Die Axialabstützungselemente, die zwischen den einzelnen Wellen des Balges angebracht sind, fungieren als Anschläge für die einzelnen Wellen in Axialrich­ tung. Sie sind sowohl zwischen den Wellen auf der Außenseite des Balges als auch zwischen den Wellen auf der Innenseite des Balges eingebracht, damit weder auf der einen noch auf der anderen Seite eine Zerstörung des Balges durch zu starke Kompression möglich ist.

Für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung spielt die Anordnung von Gas- und Flüssigkeitsraum prinzipiell keine Rolle. So kann beispielsweise ent­ weder der Gasraum an der Außenseite des Balges angeordnet sein und der Flüssigkeitsraum auf der Innenseite des Balges oder umgekehrt. Die axiale Un­ terstützung der Wellen im Falle einer Überbelastung wird durch die erfindungs­ gemäßen Elemente stets gewährleistet. Allerdings liegt - wie vorstehend be­ schrieben - der Hauptanwendungsfall in einem hydropneumatischen Druckspei­ cher mit auf der Innenseite des Balgs angeordnetem Flüssigkeitsraum, der in diesem Fall ohne Beschädigung des Metallbalgs sogar vollständig entleert wer­ den kann.

Der Metallbalg kann an seinem einen Ende entweder direkt oder indirekt an ei­ nem Außengehäuse festgelegt sein. An seinem anderen Ende ist er mit einem Deckel verschlossen, damit eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennung zwischen Gas- und Fluidraum gewährleistet wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Axialabstüt­ zungselemente in einer kontrahierten Stellung des Metallbalges an die Form der einzelnen Wellen angepasst. Dies kann dadurch realisiert werden, dass beim Herstellungsprozess eine noch verformbare weiche plastische Masse zwischen die Wellen des Balges auf seiner radialen Innenseite und auf seiner radialen Außenseite eingebracht wird. In einem nächsten Schritt wird der Metallbalg in den Zustand der gewünschten Blockposition gebracht, das heißt bis zu einer gewünschten Stellung komprimiert. In dieser Position kann dann die plastische Masse aushärten. Damit sich die ausgehärteten Elemente von dem Material bei der Expansion wieder leicht lösen können, kann es vorteilhaft sein, die Innen- und Außenwände des Balges vor dem Einbringen der plastischen Masse mit ei­ nem Antihaftmittel zu versehen. Weiterhin kann nach dem Einbringen der plasti­ schen Masse und der Einstellung der Aushärteposition des Balges überschüssi­ ges plastisches Material außerhalb der Wellen abgetragen werden, insbesonde­ re um die Beweglichkeit des Balges nicht zu beeinträchtigen. Weiterhin können die Seitenflächen der Unterstützungselemente, die zur Innenseite oder zur Au­ ßenseite des Balges hinragen, geglättet bzw. abgerundet werden.

Nach dem Aushärten der plastischen Masse kann der Metallbalg maximal bis zu den Axialabstützungselementen komprimiert werden, wobei die Abstützungs­ elemente der individuellen Form der einzelnen Wellen angepasst sind. Dies ist besonders günstig, da - anders als bei vorgefertigten Axialabstützungselemen­ ten - auch bei Fertigungsungenauigkeiten des Balges keinerlei Hohlräume zwi­ schen den Wellen des Balges und den axialen Unterstützungselementen auftre­ ten. Eine maßgenaue Anpassung an die Wellenform im komprimierten Zustand kann von besonderer Bedeutung sein, da es ansonsten beim Auftreten einer großen Druckdifferenz zwischen Gasseite und Fluidseite zu Verformungen des Metallbalges an den Hohlräumen kommen könnte.

Sind z. B. einzelne Wellen bei der hydraulischen Ausformung des Balges nicht absolut rotationssymmetrisch ausgebildet, so ist es vorteilhaft, wenn die Ab­ stützelemente verdrehsicher positioniert sind. Dies kann leicht durch eine axial bewegliche, die Rotation der Abstützelemente behindernde Führung geschehen oder aber auch durch eine leicht eliptische Form des Balgquerschnitts erreicht werden. Andere Querschnittsformen sind auch möglich.

Die Abstützungselemente erstrecken sich vorzugsweise über den gesamten Um­ fang der Wellen. Dies ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Vermei­ dung von nicht abgestützten Hohlräumen von Bedeutung. Besonders günstig erweist sich dabei, wenn die einzelnen Axialabstützungselemente einstückig ausgebildet sind. Allerdings ist es auch denkbar, dass sie aus einzelnen Seg­ menten zusammengesetzt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung tauchen die Abstüt­ zungselemente radial in die einzelnen Wellentäler auf der Innenseite und der Außenseite des Balges ein und nehmen mit dem Grad des Eintauchens in ihrer Dicke zu. Im Fall einer Kompression des Balges wird dadurch eine radiale Kraft auf die Abstützungselemente erzeugt, die in der Richtung auf den Metallbalg und somit selbstverstärkend wirkt. Dadurch werden auch bei sehr starker Kom­ pression die Abstützungselemente nicht aus den Wellentälern des Balges her­ ausgedrückt und können somit ihre abstützende Aufgabe wahrnehmen. Auch die Ansprüche an die Festigkeit bzw. Bruchsicherheit des Abstützungsmaterials sind in diesem Fall etwas geringer.

Ein weiterer Vorteil des Speichers besteht darin, dass sich das Totvolumen auf der Gas- und Flüssigkeitsseite durch die Abstützelemente reduziert und der Speicher damit in seiner Baugröße leichter zu optimieren ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeich­ nungen selbst; dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen hydropneumatischen Druckspeicher;

Fig. 2 Ausschnittsvergrößerungen der erfindungsgemäßen Axialabstüt­ zungselemente zwischen den Wellen des Metallbalges;

Fig. 2a eine Balgwelle in gezogener Position;

Fig. 2b eine Balgwelle in mittlerer Arbeitsposition;

Fig. 2c eine Balgwelle in Blockposition.

In Fig. 1 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen hydropneumatischen Druckspeichers 1 dargestellt. Der Druckspeicher unterteilt sich in einen Gas­ raum 2 und einen Fluidraum 3. Die beiden Räume werden voneinander flüssig­ keits- und gasdicht durch einen Metallbalg 4 getrennt. Der Metallbalg 4 befindet sich in einem Gehäuse 5 des hydropneumatischen Druckspeichers 1. Der Me­ tallbalg 4 ist an seinem einen Ende mit dem Boden 6 des Gehäuses 5 verbun­ den. Das Gehäuse 5 und der Boden 6 werden vorzugsweise aus montagetech­ nischen Gründen aus zwei Teilen gefertigt, die dann miteinander gas- und flüs­ sigkeitsdicht verbunden werden. Die Festlegung des Metallbalgs 4 am Boden 6 des Gehäuses 5 erfolgt beispielsweise durch Verschweißen.

An seinem anderen Ende ist der Metallbalg 4 mit einem Deckel 7 gas- und flüs­ sigkeitsdicht verschlossen. Bei Druckänderungen zwischen Gasraum 2 und Flu­ idraum 3 wird der Metallbalg 4 komprimiert oder expandiert und der Deckel 7 verändert dadurch seine Position im Gehäuse 5.

Die Kompression des Metallbalges 4 wird durch die Wellen 8 des Metallbalges 4 ermöglicht. Die jeweiligen Wellentäler auf der Flüssigkeitsseite bilden entspre­ chende Wellenberge auf der Gasseite und umgekehrt.

Der Boden 6 des Gehäuses 5 dient im Ausführungsbeispiel als Hydraulikan­ schluss mit einem Anschlusskanal 9. Gegenüber vom Anschlusskanal 9 befindet sich im Gehäuse 5 des hydropneumatischen Druckspeichers eine Gaseinlass­ öffnung, die durch einen Stopfen 10 verschlossen ist und es ermöglicht, durch Befüllen mit einem kompressiblen Gas im angrenzenden Gasraum 2 einen ge­ wünschten Gasvorfülldruck herzustellen.

Erfindungsgemäß befinden sich zwischen den Wellen 8 des Metallbalges 4 so­ wohl auf seiner Innen- als auch auf seiner Außenseite Axialabstützungsele­ mente 11. Die Wirkung dieser Abstützungselemente 11 wird in Fig. 2 an einer Ausschnittsvergrößerung des Metallbalges 4 verdeutlicht.

Die Fig. 2a bis 2c stellen die schrittweise Kompression des Metallbalges 4 dar. Während dieser Kompression legt sich der Metallbalg 4 mit seinen Wellen 8 an die Abstützungselemente 11 an und wird von diesen erfindungsgemäß abge­ stützt. Die Abstützungselemente 11 sind dabei im komprimierten Zustand gemäß Fig. 2c der Form der Wellen 8 des Metallbalges angepasst. Zwischen den Wellen 8 des Metallbalges 4 und den Abstützungselementen 11 treten keine Hohlräume auf. Die Axialabstützungselemente 11 liegen formschlüssig in den Wellentälern des Metallbalges 4. Die Axialabstützungselemente 11 haben be­ züglich ihrer Außenfläche in den Wellentälern eine annähernd halbkreisförmige Ringstruktur und nehmen ausgehend vom Mittelpunkt 12 des Wellentales in ih­ rem Durchmesser kontinuierlich zu und erreichen schließlich die Maximaldicke D. Mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt des jeweiligen Wellentales nimmt dann die Dicke wieder kontinuierlich ab. Die Axialabstützungselemente 11 ver­ jüngen sich ausgehend von dieser Maximaldicke D mit zunehmendem Abstand vom jeweiligen Wellental und erreichen ein Minimum M und nehmen von dort ausgehend wieder kontinuierlich zu. Die Axialabstützungselemente 11 erstre­ cken sich bis annähernd an die Spitze der angrenzenden Wellenberge.

Im Fall einer Kompression des Metallbalges 4 ergibt sich eine resultierende Kraft R, die die Axialabstützungselemente 11 in Richtung des jeweiligen Wel­ lentales zum Metallbalg 4 hindrückt. Dadurch wird verhindert, dass die Axialab­ stützungselemente 11 aus den jeweiligen Wellentälern herausrutschen können bzw. bei Ausübung von starkem Kompressionsdruck auseinandergerissen wer­ den.

Die Axialabstützungselemente 11 können an ihrer dem Wellental abgewandten Seite 15 abgerundet sein.

Zusammenfassend zeichnet sich der erfindungsgemäße hydropneumatische Druckspeicher dadurch aus, dass zwischen den einzelnen Wellen eines Metall­ balges, der einen Gasraum und einen Fluidraum voneinander trennt, Elemente eingebracht sind. Diese Elemente dienen zur Abstützung der Wellen des Metall­ balges. Im Falle einer Kontraktion des Balges setzen die Wellen des Balges auf den Axialabstützungselementen auf und werden nicht zusammengedrückt und verformt.

Abschließend sei angemerkt, dass es sich bei dem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Metallbalg sowohl um einen Metallbalg mit runden Wellen als auch um einen Metallbalg mit gefalteten spitzen Wellen (auch Mem­ branbalg genannt) handeln kann, ohne dass man sich vom erfindungsgemäßen Gedanken entfernt. Bei einem Membranbalg können keilförmige dem Profil an­ gepasste Axialabstützungselemente zwischen den einzelnen Wellen eingebracht werden.

Claims (11)

1. Hydropneumatischer Druckspeicher (1) mit einem Gasraum (2) und einem Fluidraum (3) und einen diese beiden Räume voneinander flüssigkeits- und gasdicht trennenden Metallbalg (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbalg (4) auf seiner radialen Innen- und Außenseite in Radial­ richtung formschlüssig in seine Wellen (8) eingreifende Axialabstützungs­ elemente (11) aufweist und dass die Axialabstützungselemente (11) eine geringe Elastizität aufweisen und dadurch nahezu inkompressibel sind.

2. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialabstützungselemente (11) als jeder einzelnen Welle (8) zugeordnete Anschläge bei durch Druckabfall hervorgerufener Kontraktion des Metallbalges (4) in Axialrichtung innerhalb des Metallbalges (4) fungieren.

3. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Fluidraum (3) auf der Innenseite des Balges (4) und der Gasraum (2) auf der Außenseite des Balges (4) befinden.

4. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Metallbalg (4) an seinem einen Ende mit einem Deckel (7) gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen ist.

5. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialabstützungselemente (11) in einer definierten Stellung des Metallbalges (4) an die Form seiner Wellen (8) durch Abformung anpassbar sind.

6. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Axialabstützungselemente (11) über den gesamten Umfang der Wellen (8) des Metallbalges (4) erstrecken.

7. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Axialabstützungselemente (11) einstückig ausgebildet sind.

8. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Axialabstützungselemente (11) aus Segmenten bestehen.

9. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialabstützungselemente (11) von radial außen in die jeweiligen Wellentäler (8) eintauchend ausgebildet sind.

10. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialabstützungselemente (11) derart geformt sind, dass bei Kontraktion des Metallbalges (4) eine resultierende Kraft (R) auf die Axialabstützungselemente (11) in Richtung auf das jeweilige Wellental wirkt.

11. Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialabstützelemente (11) verdrehsicher eingebaut sind.