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Die Erfindung betrifft einen Druckpulsationsdämpfer für ein hydraulisches Hilfskraft-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Mit hydraulischer Hilfskraftunterstützung arbeitende Lenksysteme für Kraftfahrzeuge sind in unterschiedlicher Ausführungsformen bekannt. In Abhängigkeit von gewissen Randbedingungen können in dem entsprechenden Hydrauliksystem des Lenksystems Druckpulsationen auftreten, die unerwünschte Geräusche, Vibrationen und zusätzliche Belastungen innerhalb des Hydrauliksystems hervorrufen. Ein Hydrauliksystem mit druckabhängiger Dämpfung ist unter anderem aus der
DE 102 21 276 A1 und eine Leitungsanordnung zur Übertragung von Volumenströmen flüssiger Medien mit Druckdämpfung geht aus der
DE 101 07 872 C1 hervor.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist aus der
WO 94/18488 A1 bekannt, einen auf mechanischen Federn abgestützten Schwingungskörper mit den Druckpulsationen des Hydrauliksystems zu beaufschlagen, so dass die Druckpulsationen des Hydrauliksystems durch die Schwingungen des Schwingungskörpers kompensiert werden, wenn die Eigenfrequenz des aus der Masse des Schwingungskörpers und den Federn gebildeten Schwingungssystems an die Anregungsfrequenz der Druckpulsation angeglichen wird. Nachteilig bei dieser bekannten Konstruktion ist allerdings, dass die Federn zur Abstützung des Schwingungskörpers über den Schwingungskörper mit dem Druck des Hydrauliksystems beaufschlagt werden, was zu vergleichsweise großen Belastungen der Federn und damit zu einer entsprechend massiven Federausbildung führt. Zudem muss der Kolben über stark reibungsbehaftete Dichtungsmanschetten geführt werden. Als unabdingbare Folge davon müssen einerseits ein gesteigerter Konstruktionsaufwand und andererseits eine entsprechende Baugröße in Kauf genommen werden.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Hydrauliksystem ist in der
EP 1 384 025 B1 offenbart. Die offenbarte Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Hydrauliksystem umfasst einen vom Hydrauliksystem beaufschlagbaren, durch ein Federelement abgestützten Schwingungskörper, der in Beaufschlagungsrichtung in einem Gehäuse verschiebbar geführt ist und mit dem Federelement ein Schwingungssystem mit einer an die Anregungsfrequenz durch die Druckpulsation angeglichene Eigenfrequenz ergibt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse einen den Schwingungskörper aufnehmenden, mit einem Hydraulikmittel als Federelement gefüllten Druckraum und einen Beaufschlagungsraum bildet, wobei zwischen dem Beaufschlagungsraum und dem Druckraum eine durch ein Beaufschlagungsteil des Schwingungskörpers verschlossene Durchtrittsöffnung vorgesehen ist. Als nachteilig erweist sich hierbei der Umstand, dass die offenbarte Vorrichtung lediglich zur Dämpfung von höherfrequenten Druckpulsationen geeignet ist. Um die in einem hydraulischen Hilfskraft-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs typischerweise auftretenden niederfrequenten Druckpulsationen, beispielsweise in der Größenordnung von 40 Hz, wirksam dämpfen zu können, müsste ein utopisch großes Volumen an Hydraulikmittel in einem absolut steifen Druckraum als Feder angekoppelt werden. Folglich erfordert auch diese Vorrichtung für die Dämpfung von niederfrequenten Druckpulsationen, wie diese beispielsweise in einem hydraulischen Hilfskraft-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs auftreten, eine entsprechend große Bauform.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckpulsationsdämpfer für ein hydraulisches Hilfskraft-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art unter Vermeidung der genannten Nachteile derart weiterzubilden, dass der Druckpulsationsdämpfer eine Dämpfung von niederfrequenten Druckpulsationserscheinungen ermöglicht und zugleich eine robuste und kompakte Bauform gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lagerung des Schwingungskörpers sowie die Federsteifigkeit des mit dem Schwingungskörper in Wirkverbindung stehenden Federelements Einfluss auf die Robust/Kompaktheit sowie auf den einsetzbaren Frequenzbereich haben.
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Der erfindungsgemäße Druckpulsationsdämpfer für ein hydraulisches Hilfskraft-Lenksystem umfasst hierfür ein Gehäuse, das fluidisch kommunizierend mit dem Hilfskraft-Lenksystem in Verbindung steht. In dem Gehäuse ist ein, einen ersten Kolben und einen zweiten Kolben aufweisender, Schwingungskörper axial verschiebbar gelagert. Während der erste Kolben des Schwingungskörpers mit dem Hilfskraft-Lenksystem in Wirkverbindung steht, steht der zweite Kolben des Schwingungskörpers mit einer, mit einem Hydraulikfluid als Federelement gefüllten Kammer in Wirkverbindung. Erfindungsgemäß ist der Schwingungskörper in dem Gehäuse zweifach axial verschiebbar gelagert und die mit dem Hydraulikfluid gefüllte Kammer ist aus einem volumenveränderlichen, d. h. in Maßen aufblähbaren, Material ausgebildet. Auf eine einfache Art und Weise ist nunmehr ein Druckpulsationsdämpfer zur Verfügung gestellt, der aufgrund der nunmehr als Federelement verwendeten Kammer, d. h. durch eine entsprechende Auswahl der Kammer, also Auswahl einer entsprechenden Größe und Volumenveränderlichkeit der Kammer, in Amplitude und Eigenfrequenz nahezu frei bis hin zu fast beliebig tiefen Frequenzen einstellbar ist. Zudem ist durch die als Federelement wirkende Kammer eine kompakte und robuste Bauform des Druckpulsationsdämpfers sichergestellt. Ein weiterer, entscheidender Vorteil liegt in der zweifachen axialen Lagerung des Schwingungskörpers, da hierdurch ein ”Verkanten” nahezu ausgeschlossen ist und damit eine größtmögliche Betriebssicherheit des Druckpulsationsdämpfers gewährleist ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Kolben des Schwingungskörpers keine Abdichtungsmanschetten benötigen, so dass ein verschleißfreier Betrieb es Druckpulsationsdämpfers sichergestellt ist.
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In vorteilhafter Weise ist das volumenveränderliche Material der Kammer lediglich in einem Druckbereich von ca. 20–60 bar federähnlich aufblähbar. Im Druckbereich oberhalb von 60 bar wirkt die Kammer hingegen als steif, d. h. als progressives Federelement. Die spezielle Ausgestaltung der Kammer hat den Effekt, dass nur eine begrenzte Volumenaufnahme möglich ist, und somit die Gefahr einer ”schwammigen” Lenkung deutlich reduziert wird.
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Vorzugsweise ist der erste und zweite Kolben des Schwingungskörpers jeweils mittels einer Gleitlagerung in einem korrespondierend ausgebildeten ersten und zweiten Gehäuseabschnitt des Gehäuses gelagert. Hierdurch ist ein einfacher konstruktiver Aufbau des Druckpulsationsdämpfers gewährleistet.
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Um eine fluidische Kommunikation zwischen dem hydraulischen Hilfskraft-Lenksystem, Schwingungskörper und Kammer sicher zu stellen, ist in radialer Richtung (R) betrachtet zwischen dem ersten und zweiten Kolben des Schwingungskörpers und den jeweils zugeordneten Gehäuseabschnitten des Gehäuses ein Spalt vorhanden, der so ausgebildet ist, dass ein langsames Vorbeiströmen des Hydraulikfluids ermöglicht ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Schwingungskörper zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben ein Schwungmasse-Element auf. Die Anordnung eines zusätzlichen Schwungmasse-Elements zwischen dem ersten und zweiten Kolben des Schwingungskörpers hat den Effekt, dass hierdurch die translatorische Masse des Schwingungskörpers deutlich erhöht ist. Somit ist eine weitere Möglichkeit zur Abstimmung des Druckpulsationsdämpfers zur Verfügung gestellt, da über das Vorsehen bzw. Auswahl eines entsprechenden Schwungmasse-Elements eine Abstimmung des Druckpulsationsdämpfers, beispielsweise eine Abstimmung auf tiefe Frequenzen hin, ermöglicht ist. Um eine gleichmäßige Masseverteilung und eine einfache Fertigung des Schwingungskörpers zu gewährleisten, sind in axialer Richtung (A) betrachtet die beiden Kolben und das Schwungmasse-Element auf einer gemeinsamen Längsachse (L) angeordnet und als eine Baueinheit ausgebildet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist in radiale Richtung (R) betrachtet das Schwungmasse-Element einen größeren Durchmesser als die beiden Kolben auf. Dies hat den Effekt, dass die wirksame Querschnittsfläche des Schwingungskörpers, also die mit dem Hydraulikfluid in Wirkverbindung stehende Kolbenfläche des ersten und zweiten Kolbens weiterhin klein ist, während im Verhältnis dazu die Masse des Schwingungskörpers groß ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen der erste und zweite Kolben des Schwingungskörpers eine gleichgroße wirksame Querschnittsfläche auf. Denkbar ist aber auch, dass die wirksame Querschnittsfläche des ersten und zweiten Kolbens des Schwingungskörpers unterschiedlich groß dimensioniert sind.
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Um eine sichere Rückführung des Schwingungskörpers in eine Mittelstellung zu gewährleisten, ist der Schwingungskörper über mindestens eine Feder in dieser Mittelstellung gehalten.
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Vorzugsweise ist die Kammer als ein Dehnschlauchstück ausgebildet. Die Ausbildung der Kammer als Dehnschlauchstück erweist sich als besonders vorteilhaft, da hierdurch auf eine einfache Art und Weise, nämlich durch einen entsprechenden Austausch des Dehnschlauchstückes, eine Möglichkeit zur Konfiguration des Druckpulsationsdämpfers gegeben ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steht das Gehäuse mittels eines T-Stücks fluidisch kommunizierend mit einer Druckleitung des Hilfskraft-Lenksystems in Wirkverbindung. Die Verwendung eines T-Stücks erweist sich als vorteilhaft, da hierdurch eine einfache Integration in ein bestehendes Hilfskraft-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Beschreibung, in den Ansprüchen und der Zeichnung werden die in der unten angefügten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordnete Bezugszeichen verwendet.
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In der Zeichnung bedeuten:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckpulsationsdämpfers;
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2 eine Detailansicht des Gehäuses des Druckpulsationsdämpfers aus 1 und
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3 eine Detailansicht des Schwingungskörpers des Druckpulsationsdämpfers aus 1.
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In 1 ist mehr oder minder schematisch ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter Druckpulsationsdämpfer für ein hydraulisches Hilfskraft-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Der Druckpulsationsdämpfer 10 ist zum Kompensieren von Druckschwankungen im Bereich 39–42 Hz vorgesehen.
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Der Druckpulsationsdämpfer 10 umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse 12, einen im Gehäuse in axiale Richtung (A) verschiebbar gelagerten Schwingungskörper 14 mit einem ersten Kolben 16 und einen zweiten Kolben 18, sowie eine, aus einem volumenveränderlichen Material ausgebildete, als Federelement wirkende Kammer 20.
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Über ein T-Stück 22 steht das Gehäuse 12 und damit der Druckpulsationsdämpfer 10 mit einer, hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Druckleitung des Hilfskraft-Lenksystems und damit mit dem Hydraulikkreislauf des Hilfskraft-Lenksystems fluidisch kommunizierend in Verbindung.
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Während der Schwingungskörper 14 über seinen, in Richtung auf das T-Stück 22 ausgerichteten ersten Kolben 16 mit dem Hydraulikkreislauf des Hilfskraft-Lenksystems in Wirkverbindung steht, ist über den zweiten Kolben 18 eine Wirkverbindung zwischen dem Schwingungskörper 14 und der Kammer 20 realisiert. Die Kammer 20 ist dabei als ein Öldruckschlauchstück ausgebildet, d. h. dass sich die Kammer 20 bei einem entsprechenden Druckanstieg etwas aufblähen kann. Die Kammer 20 bzw. das verwendete Öldruckschlauchstück ist dabei so gewählt, dass das Öldruckschlaustück bei Maximaldruck nur ein definiertes Volumen aufnimmt und im pulsationsrelevanten Druckbereich von ca. 40 bar mit dem Hydraulikfluid ein annährend lineares Federsystem darstellt.
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Der Schwingungskörper 14 ist in dem Gehäuse 12 zweifach axial verschiebbar gelagert. Hierzu ist der erste und zweite Kolben 16, 18 jeweils mittels einer Gleitlagerung in einem entsprechend ausgebildeten ersten und zweiten Gehäuseabschnitt 24, 26 des Gehäuses 10 geführt. Die Gleitlagerung zwischen den beiden Kolben 16, 18 und den entsprechend ausgebildeten Gehäuseabschnitten 24, 26 ist dabei so ausgebildet, dass in radiale Richtung (R) betrachtet ein Spalt vorhanden ist, der so dimensioniert ist, dass ein langsames Vorbeiströmen des Hydraulikfluids ermöglicht ist.
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Der Schwingkörper 14 weist zwischen dem ersten Kolben 16 und dem zweiten Kolben 18 ein Schwungmasse-Element 28 auf. Hierdurch ist eine deutliche Erhöhung der translatorischen Masse des Schwingungskörpers 14 bedingt, wohingegen die für das Hydraulikfluid wirksame Querschnittsfläche der beiden Kolben 16, 18 relativ klein ist. Hierdurch wird der Druckpulsationsdämpfer zu tiefen Frequenzen hin eingestellt.
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Die Wirkungsweise des Druckpulsationsdämpfers 10 zur Kompensation von niederfrequenten Druckpulsationserscheinungen in dem hydraulischen Hilfskraft-Lenksystem des Kraftfahrzeugs ist folgende: Der beim Anlenken bedingte Druckanstieg (ca. 30 bis 40 bar) im Hilfskraft-Lenksystem bedingt ein langsames Vorbeiströmen des Hydraulikfluids an den beiden Kolben 16, 18 in die Kammer 20.
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Die als Öldruckschlauchstück ausgebildete Kammer 20 wird hierdurch etwas aufgebläht, so dass der Schwingungskörper 14 wieder in eine durch Federn vorgespannte Mittelstellung wandert. Auf eine Darstellung der Federn wurde vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
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Das durch die Pulsation schwingende Hydraulikfluid im Gehäuse 12 reißt nun den Schwingungskörper 14 mit und regt das Resonatorsystem an, wodurch die beabsichtigte Schwingungsdämpfung erzielt wird.
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In 2 und 3 sind das Gehäuse 12 und der Schwingungsdämpfer 14 detaillierter dargestellt.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, umfasst das Gehäuse 12 des Druckpulsationsdämpfers 10 neben dem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt 24, 26 einen mittleren Gehäuseabschnitt 30. Der mittlere Gehäuseabschnitt 30 ist dabei für die Aufnahme des Schwungmasse-Elements 28 ausgebildet. Der erste und zweite Gehäuseteil 24, 26 weisen jeweils eine Länge von 51 mm auf. Der Außen- bzw. Innendurchmesser des ersten und zweiten Gehäuseteils 24, 26 beträgt jeweils 14 mm bzw. 9 mm. Die Innenflächen des ersten und zweiten Gehäuseteils 24, 26 sind jeweils als geschliffene Laufflächen ausgebildet. Der mittlere Gehäuseabschnitt 30 weist eine Länge von 96 mm auf und hat einen Innendurchmesser von 36 mm und einen Außendurchmesser von 42 mm.
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Der in 3 dargestellte Schwingungskörper 14 hat eine Gesamtlänge von 160 mm. Hierbei weist der als erster und zweiter Kolben 16, 18 ausgebildete Bereich des Schwingungskörpers 14 jeweils eine Länge von 50 mm und einen Durchmesser von 7,8 mm auf, während der als Schwungmasse-Element 28 ausgebildete Mittelbereich des Schwingungskörpers 14 eine Länge von 60 mm und einen Durchmesser von 230 mm aufweist. Um gute Gleiteigenschaften zwischen den Kolben 16, 18 und den entsprechenden Gehäuseabschnitten 24, 26 zu gewährleisten, sind die Kolben 16, 18 bereichsweise geschliffen und verrundet ausgebildet.
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Wie bereits ausgeführt wurde, dichten im eingesetzten Zustand des Schwingungskörpers 14 in das Gehäuse 12 die Kolben 16, 18 nicht vollständig ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der in radiale Richtung (R) verbleibende Spalt, d. h. das Delta zwischen Außendurchmesser der Kolben 16, 18 und dem Innendurchmesser des ersten und zweiten Gehäuseabschnitts ca. 0,07 mm. Das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kammer 20 verwendete Öldruckschlauchstück hat eine freie Länge von 100 mm und weist einen Durchmesser von 19 mm auf.
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Die hier angegebenen Baugrößenangaben beschreiben lediglich einen Prototypen des Druckpulsationsdämpfers. Es ist selbstverständlich möglich die Baugröße zu reduzieren, ohne die prinzipielle Wirkungsweise zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass nunmehr ein Druckpulsationsdämpfer 10 zur Verfügung gestellt ist, der bei relativ geringer (vertretbarer) Volumenaufnahme eine Dämpfung bzw. Kompensation von niederfrequenten Druckpulsationserscheinungen ermöglicht. Versuche haben gezeigt, dass der erfindungsgemäße Druckpulsationdämpfer 10 in der Lage ist, Druckschwankungen bei stehenden oder fließenden Hydrauliksystemen im Bereich von 40 Hz um bis zu 37% zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckpulsationsdämpfer
- 12
- Gehäuse
- 14
- Schwingungskörper
- 16
- Erster Kolben
- 18
- Zweiter Kolben
- 20
- Kammer
- 22
- T-Stück
- 24
- Erster Gehäuseabschnitt
- 26
- Zweiter Gehäuseabschnitt
- 28
- Schwungmasse-Element
- 30
- mittlerer Gehäuseabschnitt
