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Die
Erfindung betrifft einen Hydraulikfluidspeicher für einen
Hydraulikkreislauf, mit einer Speicherwand, die einen Sauganschluß und einen
Rücklaufanschluß aufweist,
wobei Hydraulikfluid über
den Sauganschluß aus
dem Hydraulikfluidspeicher abströmen
und über
den Rücklaufanschluß in den
Hydraulikfluidspeicher zurückströmen kann.
Des weiteren umfaßt
die Erfindung ein hydraulisches Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Hydraulikkreislauf, der einen solchen Hydraulikfluidspeicher aufweist.
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Hydraulikfluidspeicher
für Hydraulikkreisläufe sind
aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Sie gleichen dabei
in der Regel über
ihren variablen Füllstand
Temperaturdehnungen des Hydraulikfluids, Leckagen oder sonstige
Volumenänderungen
im Hydraulikkreislauf aus und sind entweder als offener Tank mit
unter Atmosphärendruck
stehendem Hydraulikfluid oder als Druckspeicher mit vorgespanntem
Hydraulikfluid ausgebildet.
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In
der Regel saugt eine Pumpe über
den Sauganschluß Hydraulikfluid
aus dem Hydraulikfluidspeicher an und gibt es über den Hydraulikkreislauf unter
erhöhtem
Druck an einen Verbraucher ab. Gleichzeitig strömt überschüssiges Hydraulikfluid über den
Rücklaufanschluß in den
Hydraulikfluidspeicher zurück.
Hierbei ergibt sich das Problem, daß beim Betrieb der Hydraulikpumpe
unerwünschte
Geräusche
entstehen, die je nach Füllstand
des Hydraulikfluidspeichers mehr oder weniger stark ausfallen, wobei
das Geräuschverhalten
insgesamt verbesserungswürdig
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, das Geräuschverhalten in einem Hydraulikkreislauf
beim Betrieb der Hydraulikpumpe zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Hydraulikfluidspeicher der eingangs genannten Art gelöst, bei
dem am Rücklaufanschluß ein Belüftungsmittel
vorgesehen ist, welches unter Ausnutzung der Strömungsgeschwindigkeit des Hydraulikfluids
im Rücklaufanschluß sicherstellt,
daß im
Hydraulikfluidspeicher ein freies, ungelöstes Gas oder Gasgemisch vorhanden
ist. Es hat sich herausgestellt, daß freies, ungelöstes Gas
oder Gasgemisch eine Anregung der (insbesondere als Zahnradpumpe ausgebildeten)
Hydraulikpumpe bedampfen und das Geräuschverhalten verbessern.
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In
einer Ausführungsform
des Hydraulikfluidspeichers ist der Rücklaufanschluß als Rücklaufstutzen
ausgebildet und besonders bevorzugt als einstückiger Fortsatz der Speicherwand
ausgeführt.
Dadurch ist der Anschluß einer
Rücklaufleitung
an den Hydraulikfluidspeicher sehr einfach möglich.
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Das
Belüftungsmittel
ist vorzugsweise in den Rücklaufstutzen
integriert. Dies verringert die Anzahl der notwendigen Einzelbauteile
und vereinfacht die Montage des Hydraulikkreislaufs.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Belüftungsmittel
ein Strömungshindernis,
welches in den Hydraulikfluidspeicher strömendes Hydraulikfluid verwirbelt.
Infolge dieser Verwirbelung des Hydraulikfluids wird ein im Hydraulikfluid
gelöstes
Gas oder Gasgemisch in ein freies Gas oder Gasgemisch umgewandelt.
Bei dem Gas bzw. Gasgemisch handelt es sich dabei insbesondere um
Luft. Im Gegensatz zu der im Hydraulikfluid gelösten Luft bedämpft die
freie Luft aufgrund ihrer Kompressibilität die Anregung der Zahnradpumpe,
wodurch sich das Geräuschverhalten
im Hydraulikkreislauf verbessert.
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Das
Belüftungsmittel
kann dabei ein scharfkantiger Vorsprung oder alternativ ein filterartiges Geflecht
sein. Diese Ausführungen
des Belüftungsmittels
haben sich als besonders kostengünstig
erwiesen, insbesondere dann, wenn der Hydraulikfluidspeicher als
Kunststoffspritzteil hergestellt ist und der scharfkantige Vorsprung
oder das filterartige Geflecht bereits beim Spritzvorgang angeformt
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das Belüftungsmittel
ein im Übergangsbereich
zwischen der Speicherwand und dem Rücklaufstutzen vorgesehener
Zuluftanschluß.
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In
diesem Fall ist das Belüftungsmittel
vorzugsweise so angeordnet, daß bei
in den Hydraulikfluidspeicher zurückströmendem Hydraulikfluid der lokale
Druck am Zuluftanschluß unter
einem Innendruck des Hydraulikfluidspeichers liegt. Dieser lokale Unterdruck
am Zuluftanschluß entsteht
infolge des Venturi-Effekts und wird genutzt, um gemäß dem Prinzip
einer Strahlpumpe Luft anzusaugen und in den Hydraulikfluidspeicher
einzuspeisen. Wie bereits oben erwähnt, bedampft diese freie Luft
die Anregungen der Hydraulikpumpe, so daß sich das Geräuschverhalten
im Hydraulikkreislauf verbessert.
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Vorzugsweise
ist der Zuluftanschluß mit
einem Luftreservoir verbunden, dessen Innendruck über dem
lokalen Druck am Zuluftanschluß liegt. Durch
die Verbindung zu einem solchen Luftreservoir ist jederzeit ein
Nachsaugen freier, ungelöster
Luft in den Hydraulikfluidspeicher gewährleistet.
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In
einer Ausführungsform
weist die Speicherwand des Hydraulikfluidspeichers einen Tankanschluß auf, über den
der Hydraulikfluidspeicher mit einem Hydrauliktank in Verbindung
steht.
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In
dieser Ausführungsform
ist das Luftreservoir vorzugsweise in den Hydrauliktank integriert. Dies
bietet den Vorteil, daß der
Zuluftanschluß im Falle
eines Überdrucks
im Hydraulikfluidspeicher genutzt werden kann, um überschüssiges Hydraulikfluid
in den Hydrauliktank abzuführen.
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Die
Erfindung umfaßt
auch ein hydraulisches Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem Hydraulikkreislauf,
der einen zuvor beschriebenen Hydraulikfluidspeicher umfaßt. In diesem
Fall werden die im Hydraulikkreislauf entstehenden Geräusche durch
den erfindungsgemäßen Hydraulikfluidspeicher
soweit gedämpft,
daß sie
von Insassen des Kraftfahrzeugs nicht mehr als störend empfunden werden.
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Der
Hydraulikkreislauf des Servolenksystems umfaßt dabei vorzugsweise ein Motor-Pumpen-Aggregat,
wobei der Hydraulikfluidspeicher in das Motor-Pumpen-Aggregat integriert
ist. Dies führt zu
einer sehr kompakten Bauweise des Servolenksystems und einer besonders
einfachen Montage des Hydraulikkreislaufs.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 die
schematische Darstellung eines Servolenksystems mit einem erfindungsgemäßen Hydraulikfluidspeicher;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Hydraulikfluidspeicher;
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3 ein
Detail A des Hydraulikfluidspeichers aus 2 gemäß einer
ersten Ausführungsform;
und
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4 ein
Detail A des Hydraulikfluidspeichers aus 2 gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt
ein elektrisch angetriebenes, hydraulisches Servolenksystem 10 für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Hydraulikkreislauf 12, der eine Pumpenbaugruppe 14 und
eine Servoventilbaugruppe 16 umfaßt. Abgesehen vom Hydraulikkreislauf 12 weist das
Servolenksystem 10 auch ein Lenkrad 18 auf, welches
in bekannter Weise über
ein Lenkgetriebe 20 mit einer Zahnstange 22 gekoppelt
ist, die wiederum mit lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt)
zusammenwirkt. Das Servolenksystem 10 umfaßt ferner
eine Zylinder-Kolben-Einheit 24 mit zwei Arbeitskammern 26, 28,
welche abhängig
von einer Stellung der Servoventilbaugruppe 16 mit Druck
beaufschlagt werden und dementsprechend eine axiale Bewegung der
Zahnstange 22 in einer ersten oder einer entgegengesetzten
zweiten Richtung bewirken oder unterstützen.
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Der
prinzipielle Aufbau eines solchen Fahrzeug-Servolenksystems 10 sowie
dessen Funktionsweise sind bereits allgemein aus dem Stand der Technik
bekannt, weshalb im folgenden lediglich auf erfindungsrelevante
Details eingegangen wird.
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Die
Pumpenbaugruppe 14 ist gemäß 1 als Motor-Pumpen-Aggregat
mit einer Hydraulikpumpe 30 und einem Elektromotor 32 zum
Antreiben der Hydraulikpumpe 30 ausgebildet. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist in das Motor-Pumpen-Aggregat
ein Hydraulikfluidspeicher 34 integriert, der in alternativen
Ausführungsformen
jedoch auch als separates Bauteil ausgebildet sein kann. Im Hydraulikkreislauf 12 des
Servolenksystems 10 sind darüber hinaus ein Rückschlagventil 36 und
ein Druckbegrenzungsventil 38 vorgesehen. Obwohl diese
Ventile 36, 38 als separate Bauteile außerhalb
des Motor-Pumpen-Aggregats eingezeichnet sind, können sie in alternativen Ausführungsformen
des Servolenksystems 10 ebenfalls in die Pumpenbaugruppe 14 integriert
sein.
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Der
Hydraulikfluidspeicher 34 wird nun genauer beschrieben,
da dessen besondere Konstruktion einen sehr geräuscharmen Betrieb des Servolenksystems 10 ermöglicht.
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Die 2 zeigt
einen schematischen Schnitt durch den Hydraulikfluidspeicher 34,
genauer durch eine Speicherwand 40 des Hydraulikfluidspeichers 34,
die einen Sauganschluß 42 und
einen Rücklaufanschluß 44 aufweist,
wobei Hydraulikfluid über
den Sauganschluß 42 aus
dem Hydraulikfluidspeicher 34 abströmen und über den Rücklaufanschluß 44 in
den Hydraulikfluidspeicher 34 zurückströmen kann. Bei Betrieb des Servolenksystems 10 saugt
die in der Regel als Zahnradpumpe ausgebildete Hydraulikpumpe 30 Hydraulikfluid
aus dem Hydraulikfluidspeicher 34, wobei es zu Druckstößen und
damit einhergehenden, unerwünschten
Geräuschen
kommen kann. Diese Geräusche
treten besonders dann auf, wenn der Hydraulikfluidspeicher 34 vollkommen
mit Hydraulikfluid, also einer im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit,
gefüllt
ist. Bereits ein Anteil freier, ungelöster Luft im Hydraulikfluidspeicher 34 bedampft
die Anregung der Hydraulikpumpe 30, was zu einem deutlich
niedrigeren Geräuschniveau
beim Betrieb des Servolenksystems 10 führt.
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Am
Rücklaufanschluß 44 des
Hydraulikfluidspeichers 34 ist daher ein Belüftungsmittel 46 vorgesehen,
welches unter Ausnutzung der Strömungsgeschwindigkeit
des Hydraulikfluids im Rücklaufanschluß 44 sicherstellt,
daß im
Hydraulikfluidspeicher 34 ein freies, ungelöstes Gas
oder Gasgemisch, insbesondere Luft, vorhanden ist.
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Die 3 zeigt
einen schematischen Detailschnitt durch die Speicherwand 40 des
Hydraulikfluidspeichers 34 gemäß einer ersten Ausführungsform im
Bereich des Rücklaufanschlusses 44.
Der Rücklaufanschluß 44 ist
als Rücklaufstutzen 48,
insbesondere als einstückig
an die Speicherwand 40 angeformter Rücklaufstutzen 48 ausgebildet.
In dieser Ausführungsform
ist das Belüftungsmittel 46 ein
in den Rücklaufstutzen 48 integriertes
Strömungshindernis,
welches in den Hydraulikfluidspeicher 34 strömendes Hydraulikfluid
verwirbelt. Infolge dieser Verwirbelung wird im Hydraulikfluid gebundene
Luft freigesetzt, so daß während einer
Hydraulikfluidströmung
durch den Rücklaufanschluß 44 in
Richtung zum Hydraulikfluidspeicher 34 fortwährend freie,
ungebundene Luft generiert und in den Hydraulikfluidspeicher 34 eingebracht
wird. Abhängig
von den herrschenden Randbedingungen wird sich die freie Luft dort
früher
oder später
wieder im Hydraulikfluid lösen.
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Konkret
ist das Belüftungsmittel 46 z.
B. ein scharfkantiger Vorsprung oder ein filterartiges Geflecht
am speicherseitigen Ende 50 des Rücklaufstutzens 48.
Vorzugsweise sind die Speicherwand 40, der Rücklaufstutzen 48 und
der scharfkantige Vorsprung bzw. das filterartige Geflecht aus Kunststoff gefertigt
und werden in einer besonders kostengünstigen Ausführungsvariante
des Hydraulikfluidspeichers 34 in einem einzigen Spritzvorgang
als einteiliges Spritzgußteil
hergestellt.
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Die 4 zeigt
analog zu 3 einen Detailschnitt durch
die Speicherwand 40 des Hydraulikfluidspeichers 34 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
im Bereich des Rücklaufanschlusses 44.
Das Belüftungsmittel 46 ist
in dieser zweiten Ausführungsform
ein Zuluftanschluß 52.
Dieser ist im Übergangsbereich
zwischen der Speicherwand 40 und dem Rücklaufstutzen 48 vorgesehen
und so angeordnet, daß bei
in den Hydraulikfluidspeicher 34 zurückströmendem Hydraulikfluid der lokale
Druck am Zuluftanschluß 52 unter
einem Innendruck des Hydraulikfluidspeichers 34 liegt.
Dieser im Bereich 53 (gepunktet eingezeichnet) des Zuluftanschlusses 52 vorhandene,
lokale Unterdruck entsteht aufgrund von Bernoulli-Effekten. Das über den
Rücklaufanschluß 44 in
den Hydraulikfluidspeicher 34 strömende Hydraulikfluid wird genutzt,
um über
den Zuluftanschluß 52 nach
dem Prinzip einer Strahlpumpe freie Luft in den Hydraulikfluidspeicher 34 zu
saugen. Bei Simulationen mit gängigen
Randbedingungen wurde im Bereich des Zuluftanschlusses 52 ein
lokaler Druck ermittelt, der etwa 0,1 bis 0,2 bar unterhalb des
Hydraulikdrucks im übrigen
Hydraulikfluidspeicher 34 liegt.
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Um
ein Nachsaugen freier Luft zu gewährleisten, ist der Zuluftanschluß 52 mit
einem Luftreservoir 54 (1) verbunden,
dessen Innendruck über dem
lokalen Druck am Zuluftanschluß 52 liegt.
In den 1 und 2 sind zusätzliche Bauteile für die zweite
Ausführungsform
gestrichelt dargestellt. Die Speicherwand 40 weist hierbei
einen Tankanschluß 56 auf, über den
der Hydraulikfluidspeicher 34 mit einem Hydrauliktank 58 in
Verbindung steht. Das Luftreservoir 54 ist dabei in den
Hydrauliktank 58 integriert, so daß eine auftretende Hydraulikfluid-Leckage
aus dem Hydraulikfluidspeicher 34 über den Zuluftanschluß 52 in
den Hydrauliktank 58 abgeführt werden kann.
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Der
Hydrauliktank 58 liegt gemäß 1 höher als
der Hydraulikfluidspeicher 34 (Höhendifferenz h), so daß der Hydraulikfluidspeicher 34 durch
den Hydrauliktank 58 hydrostatisch vorgespannt ist. Diese
hydrostatische Druckkomponente beträgt unter üblichen Bedingungen eines Servolenksystems 10 (h ≈ 30 cm) jedoch
lediglich einen Bruchteil des Bernoulli-Effekts in der Größenordnung
von etwa 15%, so daß der
lokale Druck am Zuluftanschluß 52 immer noch
deutlich unter dem Druck im Hydrauliktank 58 liegt. Somit
kann bei in den Hydraulikfluidspeicher 34 zurückströmendem Hydraulikfluid
freie Luft aus dem Hydrauliktank 58 ange saugt werden. Dabei
ist unerheblich, ob der Hydrauliktank 58 ein unter Überdruck stehender,
vorgespannter Hydrauliktank 58 oder ein unter Atmosphärendruck
stehender, offener Tank ist. Der Zuluftanschluß 52 ist gemäß 4 als
Zuluftstutzen 60 ausgebildet, dessen Innendurchmesser sich vor
dem Eintritt in den Hydraulikfluidspeicher 34 auf einer
Länge L
düsenartig
auf einen Wert d verringert, wobei über die Länge L und den Durchmesser d
ein gewünschter
Luftvolumenstrom eingestellt wird. Der Zuluftstutzen ist im dargestellten
Beispiel zwar als separates, dichtend in der Speicherwand 40 befestigtes Bauteil
dargestellt, kann aber alternativ auch einstückig mit der Speicherwand 40 ausgebildet
oder in den Rücklaufanschluß 44 integriert
sein.