-
Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Pumpensystem mit den Merkmalen von dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Der Einfachheit halber erfolgen alle Erläuterungen anhand von einem Fahrzeugbremssystem, obwohl generell andere Applikationen denkbar und möglich sind.
-
Elektrohydraulische Pumpensysteme dienen seit längerem in Kraftfahrzeugen vorrangig zur automatisierten oder teilautomatisierten Einleitung fahrerunabhängiger Druckaufbauvorgänge, insbesondere um beispielsweise eine Abstandsregelung, oder um beispielsweise eine Antriebsschlupfregelung einzuleiten. Weiterhin beispielsweise kann eine Fahrstabilitätsregelung oder ein, für den Fahrzeugführer unmerklicher, Bremsscheibenreinigungsvorgang initiiert werden. Weitere Verwendungsmöglichkeiten erstrecken sich bis hin zu automatisiertem oder teilautomatisiertem Fahrzeugfahrbetrieb, oder Fahrzeugeinparkbetrieb, und es versteht sich, dass diese beispielhaft genannten Funktionen durchaus kumulativ von einem einzigen System wahrgenommen werden können. Jedem Hydraulikkreis des Systems ist jeweils eine hydraulische Fördervorrichtung zugeordnet, um einen Druckaufbau einzuleiten.
-
Ausgelöst durch die steigende Anzahl dieser softwaregestützten Fahrerassistenzfunktionen erhöht sich die Einschaltzeit des elektrohydraulischen Pumpensystems, und es wird demzufolge verstärkt ein komfortables, geräuscharmes Pumpensystem gewünscht. Prinzipiell herrscht in einem Kraftfahrzeug jedoch ein beschränktes Platzangebot und ein scharfer Kostendruck, bei sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen. Weil in der Vergangenheit Fahrerassistenzfunktionen relativ begrenzt nachgefragt wurden, ist in Großserie einer vergleichsweise einfach darstellbaren Radialkolbenpumpe mit jeweils einer Fördervorrichtung je Hydraulikkreis prinzipiell der Vorzug gegeben worden.
-
Eine Ursache von Pumpengeräuschen in einem Kraftfahrzeug ist eine hohe, für die erforderliche Förderleistung notwendige, Antriebsmotordrehzahl. Die Förderleistung ist bei einer Radialkolbenpumpe im Wesentlichen von dem Verdrängungsvolumen, also der wirksamen Hublänge (Exzentrizität), von dem wirksamen Kolbendurchmesser sowie von der Kolbenfrequenz, mit anderen Worten von der Motordrehzahl, abhängig. Wenn der notwendige Einbauraum zur Verfügung stünde, wäre es zur Absenkung der erforderlichen Motordrehzahl bei konstanter hydraulischer Leistung zumindest theoretisch denkbar, konstruktive Größen wie insbesondere die wirksame Kolbenhublänge, wie auch den wirksamen Kolbendurchmesser zu erhöhen. Bei betriebsbedingt hohen Drücken (bis beispielsweise 280 bar) erfordert dies jedoch eine hohe, in einem Fahrzeugbordnetz nicht dauerhaft darstellbare, Antriebsmotorleistung. Prinzipiell gleiche Auswirkungen treten auf, wenn einfach die Anzahl der Fördervorrichtungen je Hydraulikkreis auf beispielsweise drei Fördervorrichtungen je Bremskreis erhöht wird.
-
Die
DE 41 36 151 A1 offenbart analog zu
DE 26 30 736 C2 eine Flügelzellenpumpe mit mehreren, in einzelnen Schlitzen des Rotors angeordneten Arbeitsschiebern, die in eine Arbeitskammer ragen. Der saugseitige Bereich der Arbeitskammer steht mit einem Vorratsbehälter und der druckseitige Bereich mit einem Verbraucher, beispielsweise einem Lenkgetriebe, in Verbindung, wobei in den Druckölkreisen jeweils ein Stromregelventil angeordnet ist.
-
Aus der
DE 10 2006 013 626 A1 ist eine elektrohydraulische Bremsanlage mit Fahrdynamikregelung bekannt, umfassend einen Hauptbremszylinder, der mit einem Vorratsbehälter und mehreren Radbremsen verbunden ist, die sowohl vom Hauptbremszylinder als auch von einer in jedem der beiden Bremskreise eingesetzten Druckmittelfördereinrichtung beaufschlagbar ist.
-
Ferner geht aus der
DE 10 2006 015 850 A1 eine Vorrichtung zur Bremsbetätigung eines Kraftfahrzeugs hervor, umfassend einen Hauptbremszylinder und einen pneumatischen Bremskraftverstärker, wobei einer der Kolben des Hauptbremszylinders gestuft mit zwei unterschiedlich großen hydraulischen Wirkflächen ausgebildet ist, um bei Ausfall des Bremskraftverstärkers die erforderliche Bremsverzögerung des Fahrzeugs zu gewährleisten, wozu mittels einer pneumatisch betätigbaren Ventilanordnung auf eine kleine Wirkfläche des Kolbens umgeschaltet wird.
-
Der
US 5 992 944 A ist ein Fahrzeugbremssystem mit mehreren Fördervorrichtungen vom Radialkolbentyp zu entnehmen, wobei jedem Hydraulikkreis jeweils eine Hauptpumpe und eine Hilfspumpe zugeordnet ist, und wobei innerhalb von einem Hydraulikkreis wirksame Pumpen vertikal unter einander angeordnet sind. Folglich sind die Hauptpumpen innerhalb einer einzigen Horizontalebene und die Hilfspumpen im Abstand dazu innerhalb einer anderen Horizontalebene angeordnet, und wobei die Horizontalebenen parallel zueinander sowie rechtwinklig auf einer Pumpenwelle stehen. Zum Antrieb verfügt die Pumpenwelle über Exzenter, wobei der Durchmesser von dem Exzenter zum Antrieb der Hilfspumpen im Durchmesser kleiner ausgebildet ist, als der Durchmesser von dem Exzenter zum Antrieb der Hauptpumpen.
-
Es besteht die Aufgabe, eine einfache Anpassung eines für ein Fahrzeugbremssystem vorgesehenen Pumpensystems an die gestellten Anforderungen unter Umgehung der genannten Nachteile zu ermöglichen, und insbesondere einen Weg aufzuzeigen, um einen prinzipiellen Zusammenhang zwischen Hochdruck und hoher Antriebsdrehzahl außer Kraft zu setzen.
-
Diese Aufgabe wird für ein Pumpensystem der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für die Kolben jedes Hydraulikkreises ein gemeinsamer Exzenter vorgesehen, so dass die Kolben identische Oszillationsbewegungen ausführen, und dass die Kolben geometrisch unterschiedlich geformte Wirkflächen aufweisen.
-
Wenn die Fördervorrichtungen eines Hydraulikkreises zwei axial hintereinander angeordnete Verdrängungsräume aufweisen, wobei die Verdrängungsräume von dem jeweils zugeordneten Kolben begrenzt werden, wird die Möglichkeit geschaffen, die Pumpenaufnahmebohrung als abgestufte Bohrung in einem einzigen Arbeitsgang für beide Fördervorrichtungen gleichzeitig herzustellen.
-
Vorteilhafter Weise sind die Kolben eines Hydraulikkreises als einstückige, abgestufte Baueinheiten vorgesehen, wobei eine der beiden hydraulischen Wirkflächen vom Kolben als Kreisringfläche ausgebildet ist, und dass eine andere der hydraulischen Wirkflächen als Kreis ausgebildet ist. Bevorzugt sind die Flächeninhalte der hydraulischen Wirkflächen unterschiedlich dimensioniert, so dass eine Fördervorrichtung mit verhältnismäßig kleiner Wirkfläche primär für eine Versorgung in einem Hochdruckbereich und für geringen Volumenstrom verantwortlich ist, und dass eine andere Fördervorrichtung mit demgegenüber größerer Wirkfläche für eine Versorgung in einem Niederdruckbereich und für höheren Volumenstrom verantwortlich ist.
-
Ein Druckmittelkanal verbindet den Auslass der in einem Hydraulikkreis arbeitenden Pumpen. In dem Druckmittelkanal sind Mittel vorgesehen, um zumindest das von einer Pumpe geförderte Druckmittel auf die Saugseite zurück zu fördern, so dass die Einleitung dieses Volumens in den Druckpfad verhindert wird. In dem genannten Druckmittelkanal sind die Druckventile für die Verdrängungsräume angeordnet, und zur Ermöglichung der Rückförderung ist wenigstens ein weiteres Ventil vorgesehen, um das in Richtung Saugpfad rückgefördertes Volumen zu kontrollieren.
-
Als zusätzliche Ventile kommen Rückschlagventile infrage, die so ausgebildet sind, dass sie eine Förderung aus dem Verdrängungsraum in Richtung Saugpfad im wesentlichen nicht behindert, und einen Fluß aus dem Saugpfad über die Druckseite in den Verdrängungsraum im Sinne einer Einbahnstraße absperren. Natürlich ist es ebenfalls denkbar, das zusätzliche Ventil als elektromagnetisch schaltbares Ventil mit zwei Schaltstellungen auszubilden. Für die konkrete Verschaltung des elektromagnetisch schaltbaren Ventils sind mehrere Varianten denkbar. In jedem Fall wird durch das elektromagnetisch schaltbare Ventil der Vorteil erzielt, dass eine konkrete Regelung des Rückfördervolumens ermöglicht wird, während die auf Rückschlagventilen basierenden Lösungen ausschließlich eine differenzdruckabhängige Zwangssteuerung ermöglichen.
-
Zusammenfassend wird also je Hydraulikkreis eine doppelte Radialkolbenpumpe vorgeschlagen, bei der ein Kolben zwei wirksame hydraulische Flächen aufweist. Es sind zwei Verdrängungsräume vorgesehen, die mit eigenen Druck- und Saugventilen ventiliert werden. Die Flächen sind kolbenfest angeordnet. Sie arbeiten synchron und führen denselben Hub aus. Durch eine absperrbare Verbindung von Druck und Saugseite an einem der beiden Verdrängungsräumen, beispielsweise mittels einem analog regelbaren, stromlos offenen Ventil kann an diesem ein beliebiger Volumenstrom eingeregelt werden und somit das Gesamtfördervolumen anhand von dem Rückförderungsvolumen an die herrschenden Bedürfnisse angepasst werden. Eine Abwandlung kann ein stromlos geschlossenes Ventil aufweisen. Zur Vereinfachung von dem mechanisch-hydraulischen Aufbau kann das Saugventil im Regelventil platziert werden. Um bei einfachen, kostenreduzierten Anlagen mit nur wenigen Assistenzfunktionen ebenfalls eine derartige Pumpe zu realisieren, wären Schaltungen mit einem hydraulischen Umschaltventil oder in weiterer vereinfachung mit einem Überströmventil möglich. Unter Verwendung eines bürstenlosen Motors mit entsprechenden Motorregelungsmöglichkeiten sind mit dieser Bauweise extreme Auslegungen möglich: So könnten z. B. die Pumpen mit sehr wenigen Hüben(= Motorumdrehungen) den Hauptanteil des Volumenaufbaus an den Verbrauchern (Radbremsen) ermöglichen.
-
Die Erfindung wird nachstehend im Einzelnen anhand der stark schematisierten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung sind Ausführungsformen wie folgt gezeigt:
-
1 eine erste Variante eines Pumpensystems im Schnitt mit einem Rückschlagventil zur Steuerung eines Rückfördervolumens,
-
2 eine zweite Variante mit einem stromlos offenen, elektromagnetisch ansteuerbaren Ventil zur Steuerung des Rückfördervolumens,
-
3 eine dritte Variante der Erfindung mit einem stromlos geschlossenen, elektromagnetisch ansteuerbaren Ventil zur Steuerung des Rückfördervolumens,
-
4 eine vierte Variante der Erfindung mit einem elektromagnetisch ansteuerbaren Ventil welches in einer stromlosen Schaltstellung ein integriertes Saugventil zur Verfügung stellt,
-
5 eine fünfte Variante mit einem hydraulisch ansteuerbaren Ventil welches in einer stromlosen Schaltstellung ein integriertes Saugventil zur Verfügung stellt.
-
Beispielhaft erfolgt die Erläuterung des elektrohydraulischen Pumpensystems anhand von einem schlupfgeregelten Fahrzeugbremssystem, wobei andere Applikationen und Anwendungen mit entsprechender Adaption denkbar sind.
-
Aus den 1 bis 5 gehen sehr schematisiert die Einzelheiten des elektrohydraulischen Pumpensystems 1 hervor, wobei nur Einzelheiten im Pumpensystem eines einzelnen Hydraulikkreises betrachtet werden, und eine entsprechende Anordnung zur Versorgung von einem zweiten Hydraulikkreis im Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Die schematische Zeichnung verdeutlicht einen Zustand gegen Ende von einem Saughub.
-
Ein rotierender, gemeinsamer, Exzenter 2 treibt den Kolben 3 mit unterschiedlich bemessenen hydraulischen Wirkflächen A1, A2 an, die innerhalb von abgestuften Aufnahmebohrungen 4 in einem Aufnahmekörper 5 oszillatorisch verschiebbar angeordnet sind, und in Verdrängungsräume 6, 7 eintauchen, so dass ein variables Volumen von den Verdrängungsräumen 6, 7 begrenzt wird. Die Verdrängungsräume 6, 7 sind axial hinter einander angeordnet. Zwecks Ventilation der Verdrängungsräume 6, 7 der doppelt vorgesehenen Radialkolbenpumpen sind jeweils gesondert ausgebildete Sauganschlüsse S1, S2 und Druckanschlüsse D1, D2 mit jeweils daran anschließenden Saugkanälen 8, 9 und Druckkanälen 10, 11 einschließlich Saugventilen 12, 13 und Druckventilen 14, 15 vorgesehen. Den Saugventilen 12, 13 und den Druckventilen 14, 15 kommt dabei die wichtige Funktion zu, eine kontrollierte Ventilation der Arbeitsräume 6, 7 zu ermöglichen, sowie auszuschließen, dass sich Teilvolumenströme der Pumpen gegenseitig beeinflussen und gegebenenfalls unkontrolliert vermengen. Die Ventile 12–15 und 21 sind – wie anhand der unterschiedlichen Ausführungsformen noch deutlich wird – entweder als differenzdruckbetätigte Rückschlagventile, als hydraulisch betätigte Ventile oder als Elektromagnetventile ausbildbar.
-
Der Kolben 3 ist als einstückig gestuft ausgebildete oder als gebaute Baueinheit konstruiert, so dass die Wirkflächen A1, A2 absolut synchrone Bewegungen ausführen. Zur Montage der Kolbenbaueinheit kann eine entsprechende Trennebene oder verschließbare Montagebohrung im Aufnahmekörper 5 vorgesehen sein. Die hydraulische Wirkfläche A1 ist als Kreisringfläche ausgebildet, und die hydraulische Wirkfläche A2 ist als Kreisfläche gestaltet, wobei die Kreisfläche am Kolbenende 16 angeordnet ist, während die Kreisringfläche näher am Exzenter 2 platziert ist. Zur Rückstellung der Kolbenbaueinheit ist in dem Verdrängungsraum 6 eine Kolbenrückstellfeder 17 angeordnet, welche zwischen Aufnahmekörper 5 und Wirkfläche A1 elastisch vorgespannt angeordnet ist. Zur Abdichtung sind Dichtungsringe 18, 19 in Bohrungsstufen oder Nuten von dem Aufnahmekörper 5 angeordnet.
-
Auf Seite der Druckanschlüsse D1, D2 ist die Verbohrung im Aufnahmekörper 5 so ausgebildet, dass die Druckkanäle 10, 11 der Fördervorrichtungen eines Hydraulikreises derart hydraulisch miteinander verbunden sind, dass sich deren Teilförderströme nach passieren der Druckventile 14, 15 im Punkt Σ summieren, um anschließend dem jeweiligen Verbraucher zugeleitet zu werden. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um die Summierung der Teilförderströme der Fördervorrichtungen zumindest temporär zu unterbinden. Diese Mittel umfassen einen Kanalabschnitt 20, der den Druckkanal 10 mit einem Nachlaufraum 22 verbindet, so dass ein entsprechender Teilvolumenstrom in den Nachlaufraum 22 zurück gefördert werden kann. Während einem Verdrängungshub vergrößert sich der Nachlaufraum 22 sukzessive, und kann dadurch einen nicht in Richtung Verbraucher ausgeschobenen – also abgezweigten – Teilvolumenstrom aufnehmen. Zur konkreten Kontrolle (Bemessung) von diesem Teilvolumenstrom dient ein zusätzliches Ventil 21 in dem Kanalabschnitt 20. Das zusätzliche Ventil 21 ist – entsprechend obiger Beschreibung – entweder differenzdruckgesteuert (Rückschlagventil), oder hydraulisch gesteuert (hydraulisches Umschaltventil). Jedenfalls ist dieses Ventil 21 bei differenzdruckabhängiger oder hydraulisch betätigter Bauweise so zwischen Druckanschluss D1, Druckkanal 10, Kanalabschnitt 20 und Nachlaufraum 22 integriert, dass eine Förderung aus dem Verdrängungsraum 6 in den Nachlaufraum 22 im wesentlichen nicht behindert wird. Jedoch wird ein Rückfluß aus dem Nachlaufraum 22 durch den Kanalabschnitt 20 in den Verdrängungsraum 6 versperrt. Zu diesem Zweck kann ein hydraulisch betätigtes Ventil ergänzend ein integriertes Rückschlagventil enthalten.
-
Wenn das genannte zusätzliche Ventil 21 jedoch als Elektromagnetventil mit zwei Schaltstellungen ausgebildet ist, und in einer Schaltstellung ein Rückschlagventil beinhaltet, kann es zusammen mit einer geeigneten Ansteuerung wechselweise als Einlaßventil und gleichzeitig als Dosierventil zum Rückfördern einer bestimmten Menge von dem Fluidvolumen eingesetzt werden.
-
Im folgenden wird die Funktion von dem Pumpensystem anhand der einzelnen Figuren erläutert.
-
Variante 1 enthält ausschließlich hydraulische, im wesentlichen baugleiche Rückschlagventile. Beide Verdrängungsräume 6, 7 verfügen über eigenständige Saugventile 12, 13 sowie Saugkanäle 8, 9, die letztlich. in den Nachlaufraum 22 einmünden. Während einem Saughub strömt das Druckmittel von einer Saugseite S über Nachlaufraum 22, Saugkanäle 8, 9 Saugventile 12, 13 und Sauganschlüsse S1, S2 in die beiden Verdrängungsräume 6, 7. Zum Ende von einem Saughub – etwa bei Beginn von einem Druckhub – werden Saugventile 12, 13 geschlossen, die beiden Druckventile 14, 15 geöffnet, und das verdrängte Druckmittel gelangt über Druckanschlüsse D1, D2, durch die Druckkanäle 10, 11 zum Punkt Σ. Dort werden die Teilförderströme summiert und gebündelt einem Verbraucher zugeführt. Ein Teilvolumenstrom einer Pumpe wird jedoch nur so lange in Richtung Σ gefördert, wie das zusätzliche Ventil 21 geschlossen ist. Wenn der Differenzdruck an dem zusätzlichen Ventil 21 ausreichend hoch ist, öffnet es, und der betreffende Teilvolumenstrom wird in die – sich sukzessive vergrößernde – Nachlaufkammer 22 abgeführt. Das Steuerverhalten von dem zusätzlichen Ventil 21 ist im wesentlichen durch Änderung einer Federkonstanten von einer Ventilkörperfeder abänderbar.
-
In der 2 ist das zusätzliche Ventil 21 im Kanalabschnitt 20 durch ein stromlos offenes, elektromagnetisch ansteuerbares Ventil ersetzt. Dadurch wird es bei sonst identischer Bauweise ermöglicht, den abgeführten Teilvolumenstrom mittels Ventilverschluß elektronisch zu regeln. Im Saughub kann das Ventil 21 bewusst offen gelassen werden, um den Saugvorgang der Arbeitskammer 6 zu beschleunigen. Mit anderen Worten wird es ermöglicht, dass der Saugvorgang gleichzeitig durch den Kanalabschnitt 20 und den Saugkanal 8 erfolgt. Das System ist fail-safe, denn wenn das Ventil 21 ausfällt, tritt lediglich ein hin- und herpumpen einer Flüssigkeitssäule zwischen Arbeitskammer 6 und Nachlaufraum 22 ein.
-
3 verdeutlicht eine insoweit abgewandelte Ausführungsform, als ein stromlos geschlossenes Ventil 21 vorgesehen ist. Prinzipiell erfolgt der Betrieb genauso wie unter 2 beschrieben. Wenn das Ventil 21 ausfällt, tritt in jedem Fall eine Druckmittelsummierung ein. Eine Förderstromabzweigung ist nicht mehr möglich.
-
In der 4 kommt ein richtungsabhängig stromlos geschlossenes Ventil 21 zum Einsatz, so dass das ursprüngliche Saugventil 12 in die entsprechende Ventilschaltstellung integriert ist. Folglich entfällt, bei prinzipiell sonst gleicher Funktion wie unter 3 und 2 beschrieben, ein gesondertes Saugventil 12 mit entsprechender Verbohrung.
-
Die 5 verdeutlicht ein Pumpensystem 1 gemäß 4, wobei jedoch die elektromagnetische Ansteuerung durch eine hydraulische Ansteuerung ersetzt ist. Dabei ist die Ansteuerung so arrangiert, dass das Ventil 21 – in Abhängigkeit von dem anliegenden Druck – in eine Durchgangsstellung geschaltet wird. Dieses Bauteil ist im wesentlichen Wirkungsgleich mit einem Rückschlagventil nach 1.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Pumpensystem
- 2
- Exzenter
- 3
- Kolben
- 4
- Aufnahmebohrung
- 5
- Aufnahmekörper
- 6
- Verdrängungsraum
- 7
- Verdrängungsraum
- 8
- Saugkanal
- 9
- Saugkanal
- 10
- Druckkanal
- 11
- Druckkanal
- 12
- Einlassventil
- 13
- Einlassventil
- 14
- Auslassventil
- 15
- Auslassventil
- 16
- Kolbenende
- 17
- Kolbenrückstellfeder
- 18
- Dichtungsring
- 19
- Dichtungsring
- 20
- Kanalabschnitt
- 21
- Ventil
- 22
- Nachlaufraum
- A1
- Wirkfläche
- A2
- Wirkfläche
- D
- Druckseite
- D1
- Druckanschluss
- D2
- Druckanschluss
- S
- Saugseite
- S1
- Sauganschluss
- S2
- Sauganschluss
- Σ
- Summationspunkt
