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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe mit einem verbesserten Dichtring, um eine Leckage zwischen einem Druckraum und einem Niederdruckbereich der Kolbenpumpe zu verringern.
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Kolbenpumpen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In Bremssystemen für Fahrzeuge werden z. B. häufig Radialkolbenpumpen verwendet, um einen Hydraulikdruck für eine Bremsanlage bereitzustellen. Ein Kolben wird dabei beispielsweise mittels eines Exzenters hin- und herbewegt, um Hydraulikfluid in einen Druckraum anzusaugen und Druck im Druckraum zu erzeugen. Der Kolben bewegt sich dabei in einem Zylinderelement und zur Abdichtung zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckbereich der Kolben werden häufig Kolbenringe oder im Zylinder integrierte Dichtringe verwendet. In jüngster Zeit werden jedoch die Anforderungen für Bremsanlagen insbesondere hinsichtlich der Druckhöhe erhöht. Hieraus ergibt sich bei den bisher verwendeten Dichtringen für die Kolbenpumpe eine erhöhte Leckage. Um trotz der gewünschten höheren Drücke jedoch einen guten Wirkungsgrad aufzuweisen, muss die Abdichtung zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckbereich verbessert werden, ohne dass dabei die Kosten für derartige Pumpen steigen. Dies ist um so wichtiger, da in Zukunft verstärkt auch kleinere Fahrzeuge mit verbesserten Bremsanlagen bzw. Stabilitätssystemen ausgestattet werden.
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Eine Kolbenpumpe mit Dichtring nach den Merkmalen der Gattung von Anspruch 1 ist beispielsweise bekannt aus der
JP 11 159 471 A . Der bekannte Dichtring wird von den wirksamen hydraulischen Kräften im Druckraum dieser Kolbenpumpe, so gegen eine Zylinderwand gepresst, dass er den Führungsspalt eines im Zylinder geführten Kolbens abdichtet.
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Ferner bekannt ist aus der
US 1,499,571 A ein diagonal geschlitzter Kolbenring mit vorstehenden und zurückgesetzten Bereichen entlang seines inneren Umfangs. Dieser Kolbenring ist in eine Ringnut eingesetzt und wird von den am Schlitz angreifenden Fluidkräften zu einer Rotationsbewegung angetrieben. Die vorstehenden Bereiche am Kolbenring wirken dabei als Schneiden, die Ablagerungen am Nutgrund abtragen.
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Vorteile der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe mit einem Dichtring gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie eine verbesserte Abdichtung zwischen einem Druckraum und einem Niederdruckbereich der Kolbenpumpe ermöglicht. Dadurch kann bei bestehenden Kolbenpumpen die Leckage verringert werden bzw. bei erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Druckerzeugung der Kolbenpumpe die Leckage in bestimmten Grenzen gehalten werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Dichtring an seinem inneren Umfang vorstehende und zurückgesetzte Bereiche aufweist. Diese Ausgestaltung des Dichtrings ermöglicht es, dass Fluid aus dem Druckraum an den zurückgesetzten Bereichen, insbesondere in einer Druckphase der Kolbenpumpe anliegt. Dadurch unterstützt der im Druckraum vorhandene Druck die Abdichtung, da das Fluid gegen die zurückgesetzten Bereiche am inneren Umfang des Dichtrings anliegt und den Dichtring zusätzlich gegen die Zylinderwand drückt. Dadurch kann eine verminderte Leckage zwischen dem Druckraum und einem Niederdruckbereich der Kolbenpumpe realisiert werden. Dabei ist der erfindungsgemäße Dichtring relativ einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Dichtring ein höheres Druckniveau mittels der Kolbenpumpe erhalten werden, ohne dass die Leckage der Kolbenpumpe ansteigt und somit der Wirkungsgrad der Kolbenpumpe sinkt. Eine Rückstellfeder für den Kolben übt darüber hinaus eine Federkraft auf das Dichtelement aus.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Um ein möglichst gleichmäßiges Anliegen des Dichtrings am Zylinder zu erhalten, sind die vorstehenden und zurückgesetzten Bereiche am inneren Umfang des Dichtrings derart angeordnet, dass jedem vorstehenden Bereich ein vorstehender Bereich gegenüberliegt und jedem zurückgesetzten Bereich ein zurückgesetzter Bereich gegenüberliegt.
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Vorzugsweise weisen die vorstehenden Bereiche und/oder die zurückgesetzten Bereiche des Dichtrings die gleiche Länge in Umfangsrichtung auf. Mit anderen Worten ist eine Kreisbogenlänge der vorstehenden und/oder zurückgesetzten Bereiche immer gleich lang.
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Weiter bevorzugt sind die vorstehenden Bereiche am inneren Umfang des Dichtrings als Haltebereiche ausgebildet, um den Dichtring an einem Kolben der Kolbenpumpe zu fixieren.
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Vorzugsweise ist der Dichtring an einem abgestuften Bereich des Kolbens an dessen druckseitigem Ende angeordnet.
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Weiter bevorzugt weist der Dichtring eine Hauptdichtfläche und eine Nebendichtfläche auf, wobei die Hauptdichtfläche in Radialrichtung zwischen dem Dichtring und einem Zylinder angeordnet ist und die Nebendichtfläche in Axialrichtung an einer Stirnseite des Dichtrings angeordnet ist, welche insbesondere eine Abdichtung zwischen dem Dichtring und dem abgestuften Bereich des Kolbens ermöglicht.
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Vorzugsweise unterstützt das Fluid im Druckraum in der Druckphase auch die Abdichtung an der Nebendichtfläche. Dies kann beispielsweise derart ermöglicht werden, dass das Fluid aus dem Druckraum an einer Stirnseite des Dichtrings anliegt, welche gegenüber der Nebendichtfläche liegt. Somit kann das Fluid im Dichtraum sowohl eine Abdichtung an der Hauptdichtfläche als auch an der Nebendichtfläche unterstützen.
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Weiter bevorzugt umfasst die Kolbenpumpe ein Halteelement zum Fixieren einer Rückstellfeder für ein Einlassventil. Das Einlassventil ist am druckraumseitigen Ende des Kolbens, insbesondere am abgestuften Bereich des Kolbens, angeordnet und gibt eine im Kolben integrierte Fluidzufuhrbohrung frei bzw. verschließt diese. Das Halteelement umfasst einen umlaufenden Randbereich, welcher das Ende des abgestuften Bereichs umgibt. Dabei sind an einer Grundfläche des Randbereichs des Halteelements Überströmnuten gebildet, um Fluid aus dem Druckraum zu den zurückgesetzten Bereichen des Dichtrings zuzuführen.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe wird besonders bevorzugt in Bremsanlagen von Fahrzeugen, beispielsweise zur Steuerung des Drucks in Radbremszylindern 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.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Kolbenpumpe mit einem Dichtelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht des in 1 verwendeten Dichtelements,
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3 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Dichtelements von 1 zur Verdeutlichung der Funktion, und
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4 eine Seitenansicht eines Halteelements zum Halten einer Rückstellfeder für ein Einlassventil gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Kolbenpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 einen in einem Gehäuse 2 angeordneten Kolben 3. Genauer ist der Kolben 3 in einer Stufenbohrung 2a des Gehäuses angeordnet. Der Kolben wird mittels eines in einem Exzenterraum 26 angeordneten Exzenters 25 in Axialrichtung X-X des Kolbens bewegt. Wie aus 1 ersichtlich ist, wird der Kolben einerseits in der Stufenbohrung 2a geführt und andererseits in einem in der Stufenbohrung 2a angeordneten Zylinderelement 27. Das Zylinderelement 27 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und weist an seinem Bodenbereich eine Durchgangsöffnung 28 auf, welche mittels eines Auslassventils 16 freigebbar bzw. verschließbar ist. An der Zylinderinnenfläche 27 wird der Kolben 3 geführt. Weiter ist in dem hohlen Innenbereich des Zylinderelements 27 ein Druckraum 8 für die Kolbenpumpe gebildet. Im Druckraum 8 ist ferner eine Rückstellfeder 15 für den Kolben 3 angeordnet.
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Das Auslassventil 16, welches an der Außenseite des Zylinderelements 27 zum Verschließen der Öffnung 28 angeordnet ist, umfasst eine Kugel 17 und eine Rückstellfeder 18. Die Rückstellfeder 18 ist in einer Ausnehmung in einem Verschlusselement 19 zum fluiddichten Verschließen der Stufenbohrung 2a angeordnet. Eine Druckleitung 20 ist dem Auslassventil 16 nachgeschaltet und führt z. B. zu einem Radzylinder.
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Eine Zuführung von Fluid in den Druckraum 8 erfolgt aus zwei Zufuhrleitungen 21, welche im Gehäuse 2 gebildet sind. Im Kolben 3 sind zwei Querbohrungen 3a und 3b sowie eine Längsbohrung 3c vorgesehen, so dass das Hydraulikfluid dem Druckraum 8 durch den Kolben 3 zugeführt wird. Ein Filter 22 ist zwischen den Leitungen 21 und den Kolbenbohrungen 3a, 3b und 3c angeordnet.
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Ein Einlassventil 9 ist am druckraumseitigen Ende des Kolbens 3 angeordnet. Das Einlassventil 9 umfasst eine Ventilplatte 10 und, eine Rückstellfeder 11, welche eine Federkraft auf die Ventilplatte 10 ausübt. Die Rückstellfeder 11 wird in einem käfigartigen Halteelement 12 gehalten. Das Halteelement 12 ist im Detail in 4 dargestellt. Das Halteelement 12 umfasst vier balkenartige Elemente, welche einen topfförmigen Käfig für die Rückstellfeder 11 bilden sowie einen umlaufenden Rand 13. An einer Grundfläche 13a des Randes 13 sind mehrere Überströmnuten 14 gebildet, um eine Verbindung zwischen dem äußeren Umfang und dem inneren Umfang des Randes 13 zu ermöglichen.
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Im Druckraum 8 ist weiter eine Rückstellfeder 15 für den Kolben angeordnet, welche an einer Ringfläche 13b des Randes 13 des Halteelements 12 anliegt.
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Ferner ist ein Dichtelement 4 vorgesehen, welches im Detail in 2 dargestellt ist. Das Dichtelement ist als Dichtring ausgebildet und weist an seinem äußeren Umfang eine Hauptdichtfläche 4a auf und an einer stirnseitigen Ringfläche eine Nebendichtfläche 4b auf. Am inneren Umfang des Dichtelements 4 sind vier vorstehende Bereiche 5 und vier zurückgesetzte Bereiche 6 gebildet. Die vorstehenden Bereiche 5 und die zurückgesetzten Bereiche 6 sind als flächenartige Bereiche ausgebildet und eine Kreisbogenlänge der vorstehenden. und zurückgesetzten Bereiche 5 und 6 ist jeweils gleich lang. Somit sind die einzelnen vorstehenden und zurückgesetzten Bereiche 5 und 6 jeweils ungefähr gleich groß.
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Wie aus den 1 und 3 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 4 an einem abgestuften Bereich 3d des Kolbens 3 angeordnet. Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 4 somit zwischen dem abgestuften Bereich 3d und dem Rand 13 des Halteelements 12 angeordnet. Das Halteelement 12 weist dabei ein Spiel S zur druckseitigen Stirnfläche des Kolbens 3 auf (vgl. 3). Dadurch kann die Rückstellfeder 15 des Kolbens eine Federkraft auf das Dichtelement 4 ausüben. Mittels der vorstehenden Bereiche 5 ist das Dichtelement 4 am Kolben 3 fixiert.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist weiterhin noch ein Dichtring 24 in einer im Gehäuse 2 gebildeten Nut angeordnet, um eine Abdichtung zwischen dem Niederdruckbereich 23 und dem Exzenterraum 26 am Kolben 3 bereitzustellen.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 1 beschrieben. 1 stellt den Zustand der Kolbenpumpe 1 kurz nach Überschreiten des unteren Totpunktes dar, in welchem die Druckphase der Kolbenpumpe gerade begonnen hat. Der Kolben 3 bewegt sich in Richtung des Pfeils A, um einen Druck im Druckraum 8 aufzubauen. Dabei sind das Einlassventil 9 und das Auslassventil 16 jeweils geschlossen.
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Mit zunehmender Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Pfeils A steigt der Druck im Druckraum 8 kontinuierlich an, wobei das Auslassventil 16 so lange geschlossen bleibt, bis der Druck im Druckraum 8 größer als ein Druck in der dem Auslassventil nachgeordneten Druckleitung 20 ist. Wenn dies der Fall ist, öffnet das Auslassventil 16, sodass das unter Druck stehende Hydraulikfluid aus dem Druckraum 8 in die Druckleitung 20 strömen kann. Dieser Zustand ist kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 3 erreicht. Wenn sich nach dem Erreichen des oberen Totpunkts die Bewegungsrichtung des Kolbens umkehrt, schließt das Ventil 16 wieder und das Einlassventil 9 öffnet. Hierbei wird die Ventilplatte 10 gegen die Kraft der Rückstellfeder 11 von ihrem Ventilsitz an der druckraumseitigen Endfläche des Kolbens 3 abgehoben. Dadurch kann Hydraulikfluid aus den Zufuhrleitungen 21 durch das Filter 22, die im Kolben gebildeten Bohrungen 3a, 3b und 3c in den Druckraum 8 strömen. Die Rückstellung des Kolbens 3 erfolgt dabei mittels der Federkraft der Rückstellfeder 15.
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Wie in 3 gezeigt, kann während der Druckphase das im Druckraum 8 befindliche. unter Druck stehende Hydraulikfluid an der Innenseite des Dichtelements 4, genauer an den zurückgesetzten Bereichen 6 des Dichtelements 4, anliegen. Der Weg des Fluids aus dem Druckraum 8 ist in 3 durch kleine Pfeile dargestellt. Wenn somit in der Druckphase das Fluid im Druckraum 8 durch die Bewegung des Kolbens 3 unter Druck gesetzt wird, übt das Fluid an den zurückgesetzten Bereichen 6 des Dichtelements 4 eine zusätzliche Radialkraft FR auf das Dichtelement 4 in Radialrichtung des Kolbens aus. Da das Fluid an den Überströmnuten 14 am Rand 13 des Haltelements 12 an einer ringförmigen Fläche 4c des Dichtelements 4 anliegt, welche der Nebendichtfläche 4b gegenüberliegt, übt das Fluid aus dem Druckraum 8 weiterhin noch eine Axialkraft FA in Axialrichtung des Kolbens auf das Dichtelement 4 aus Somit wird während der Druckphase der Kolbenpumpe 1 durch den im Druckraum 8 ansteigenden Druck eine zusätzliche Radialkraft FR auf die Hauptdichtfläche 4a des Dichtelements 4 und eine zusätzliche Axialkraft FA auf die Nebendichtfläche 4b ausgeübt. Da das Halteelement 12 gegenüber dem Kolben 3 weiterhin noch ein kleines Spiel S aufweist, wird während der Druckphase zusätzlich noch eine Federkraft der Rückstellfeder 15 auf das Dichtelement 4, genauer auf die Nebendichtfläche 4b, ausgeübt.
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Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Dichtelements 4 mit vorstehenden und zurückgesetzten Bereichen 5 und 6 eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Druckraum 8 und dem Niederdruckbereich 23 der Kolbenpumpe 1 erreicht werden. Es ist festgestellt worden, dass ein erfindungsgemäß aufgebautes Dichtelement dabei auch bei Drücken von 500 × 105 Pascal eine exzellente Abdichtung zwischen dem Druckraum 8 und dem Niederdruckbereich 23 bereitstellen kann. Dabei ist das Dichtelement 4 relativ einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Vorzugsweise ist das Dichtelement 4 aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere PA66 oder PEEK, hergestellt.
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Das Dichtelement 4 wird am abgestuften Bereich 3d des Kolbens 3 an den vorstehenden Bereichen 5 fixiert. Es sei angemerkt, dass die vorstehenden Bereiche 5 dabei eine Flächengröße aufweisen müssen, um eine sichere Fixierung des Dichtelements 4 am Kolben 3 zu ermöglichen. Durch die Anordnung des Dichtelements 4 am abgestuften Bereich 3d des Kolbens 3 kann somit eine besonders kompakte Ausbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe erreicht werden.
