DE102008016354A1

DE102008016354A1 - Druckspeicher

Info

Publication number: DE102008016354A1
Application number: DE102008016354A
Authority: DE
Inventors: Torsten Hotop; Marc Seckner; Andreas Dr. Kämpfe; Thomas Bartsch; Frank Schweickert; Sven Martin
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Witzenmann GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Witzenmann GmbH
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-03-29
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Ein Druckspeicher (1) mit wenigstens einem zumindest einseitig geschlossenem Balgelement (2), insbesondere Metallbalg, das ein Speichervolumen (4, 10) definiert, in welches zur Druck- oder Volumenspeicherung ein Fluid, insbesondere eine Bremsflüssigkeit, über mindestens eine Zuführöffnung (12) zuführbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Balgelement (2) mit wenigstens einem Ventilmittel (7) zusammenwirkt, welches dazu ausgebildet ist, bei Erreichen einer vorgegebenen Verformung, insbesondere Längung des Balgelements (2) die Zufuhr des Fluids durch Verschließen der Zuführöffnung (12) zu unterbinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druck- oder Volumenspeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit wenigstens einem zumindest einseitig geschlossenen Balgelement, insbesondere Metallbalg, das ein Speichervolumen definiert, in welches zur Druck- oder Volumenspeicherung ein Fluid, insbesondere eine Bremsflüssigkeit, über mindestens eine Zuführöffnung zuführbar ist.
Druck- oder Volumenspeicher der oben genannten Art (nachfolgend vereinfachend nur als Druckspeicher bezeichnet), die regelmäßig auch als (Metall-)Balgspeicher bezeichnet werden, finden in Form von hydropneumatischen Druckspeichern vielfach Verwendung als Energiespeicher oder Volumenausgleichsmittel in hydraulischen Systemen, beispielsweise in Bremssystemen für Kfz-Anwendungen. Die genannten Druckspeicher weisen zu diesem Zweck ein Balgelement insbesondere in Form eines Metallbalgs auf, welches als Medientrenner zwischen dem genannten Fluid (vorliegend also der Bremsflüssigkeit) und einem umgebenden weiteren Fluid, beispielsweise einem Gas, dient, so dass ein Eindiffundieren von Gasen in die Bremsflüssigkeit sicher verhindert wird. Diese absolute Diffusionsdichtheit stellt eine entscheidende Charakteristik von Metallbälgen als Medientrenner dar.
Die in dem genannten Druckspeicher als Medientrenner eingesetzten Balgelemente bzw. Metallbälge müssen eine sehr hohe Beweglichkeit und Ermüdungslebensdauer aufweisen. Dies geht jedoch nachteiliger Weise in der Regel mit einer nur gering ausgeprägten Druckfestigkeit einher. Daher werden Metallbäl ge in Druckspeichern in der Regel druckausgeglichen betrieben. Dies wird erreicht, indem der Balg auf der einen Seite mit einem Arbeitsmittel und auf der anderen Seite mit einem Gas beaufschlagt wird. Druckerhöhungen im Arbeitsmittel führen über eine Verschiebung des Balgs zu einer Kompression des Gases, wodurch die Druckdifferenz kompensiert wird. Die Druck-Volumen-Kennlinie solcher Speicher wird über das Gas definiert und ist entsprechend progressiv.
In elektronischen Bremssystemen für Kfz-Anwendungen, welche zusätzlich ein hydraulisches Hilfsbremssystem aufweisen, soll der Druckspeicher im Normalfall Bremsflüssigkeit bei nur geringen Förderdrücken unterhalb von 1 bar bereitstellen. Im Fehlerfall, das heißt bei einem Ausfall der Elektronik muss das Bremssystem jedoch einem manuell aufgebrachten Bremsdruck von regelmäßig mehr als 100 bar widerstehen.
Da bei den vorbekannten Druckspeichern Volumenänderungen stets mit mehr oder weniger großen Druckänderungen verbunden sind, eignen sich derartige Speicher nicht für Systeme der oben beschriebenen Art, bei denen große Volumina bei geringen Förderdrücken bereitgestellt werden müssen. Demgegenüber sind Balg- oder Federspeicher mit weicher Kennlinie, die für entsprechende Anwendungen prinzipiell geeignet wären, hinsichtlich ihrer Druckfestigkeit stark eingeschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckspeicher der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass er als Volumenspeicher eingesetzt werden kann mit einer Druck-Volumen-Charakteristik, die im Arbeitsbereich sehr weich, hysteresefrei und nahezu linear ist, beim Erreichen der maximalen Füllung zur Sicherstellung der erforderlichen Druckfestigkeit jedoch stark progressiv ansteigt, wobei die Möglichkeit bestehen soll, den Übergang zwischen den beiden genannten Kennlinienbereichen an unterschiedliche Anforderungen anzupassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckspeichers sind in den Unteransprüchen angegeben, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
Erfindungsgemäß ist ein Druckspeicher mit wenigstens einem zumindest einseitig geschlossenem Balgelement, insbesondere Metallbalg, welches ein Speichervolumen definiert, in das zur Druck- oder Volumenspeicherung ein Fluid, insbesondere eine Bremsflüssigkeit, über mindestens eine Zuführöffnung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Balgelement mit wenigstens einem Ventilmittel zusammenwirkt, welches dazu ausgebildet ist, bei Erreichen einer vorgegebenen Verformung, insbesondere Längung des Balgelements die Zufuhr des Fluids durch Verschließen der Zuführöffnung zu unterbinden.
Die genannte vorgegebene Verformung korreliert mit einer vorgegebenen Befüllmenge des Balgelements, so dass sich alternativ angeben lässt, dass die Fluidzufuhr bei Erreichen der vorgegebenen Befüllmenge unterbunden wird.
Im Arbeitsbereich des Druckspeichers ergibt sich so die gewünschte weiche Kennlinie aufgrund der Federeigenschaften des Balgelements. Sobald eine gegebene Verformung, insbesondere Längung des Balgelements erreicht ist, bewirkt das Ventilmittel, welches mit dem Balgelement zusammenwirkt, das heißt durch das Balgelement selbst bzw. dessen Verformung gesteuert ist, ein Verschließen der Zuführöffnung, um so die Zuführung des Fluids zu dem Speichervolumen zu unterbinden. Daraus resultiert eine starke Progression der Kennlinie, durch welche die gewünschte hohe Druckfestigkeit des Speichers im befüllten Zustand erreicht wird. Somit zeichnet sich der erfindungsgemäße Druckspeicher durch die Kombination einer im Arbeitsbereich sehr weichen Druck-Volumen-Kennlinie eines herkömmlichen Balgspeichers mit einer hohen Überdruckfestigkeit aus.
Durch gezielte Vorgabe derjenigen Verformung, bei welcher das Verschließen der Zufuhröffnung erfolgt und/oder durch entsprechende Ausführungen des Verschließvorgangs bzw. Verschließmechanismus selbst besteht in Weiterbildung der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, progressive Druck-Volumen- Kennlinien quasi frei zu generieren, um besonderen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.
Im Zuge einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers ist vorgesehen, dass das Ventilmittel zum Verschließen der Zuführöffnung wenigstens einen Schließkörper aufweist. Dieser ist vorzugsweise direkt oder indirekt mechanisch mit dem Balgelement gekoppelt, so dass über die Verformung des Balgelements, beispielsweise bei Erreichen einer gewissen Längung des Balgelements, das Verschließen der Zuführöffnung ohne weiteres bewirkbar ist. In einfachster Form weist der Druckspeicher in diesem Zusammenhang ein einfaches starres mechanisches Kopplungsteil zwischen dem Schließkörper und dem Balgelement auf.
Alternative Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckspeichers sehen vor, dass das Speichervolumen entweder im Innern des Balgelements ausgebildet ist oder dass das Speichervolumen in Form eines Druckbehälters ausgebildet ist, welcher das Balgelement umgibt. Mit anderen Worten, das durch den Speicher aufzunehmende Fluid, insbesondere eine Bremsflüssigkeit, kann entweder in einen Balginnenraum oder in einen Balgaußenraum eingeleitet werden, wobei der Balgaußenraum durch den genannten Druckbehälter definiert bzw. gebildet ist.
Um die bereits erwähnte Progression der Druck-Volumen-Kennlinie zu beeinflussen, insbesondere zu drosseln, so dass sich kein unstetiger, bilinearer Übergang ergibt, sieht eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers vor, dass das Balgelement mit wenigstens einem elastischen Element zusammenwirkt, welches beispielsweise als (Spiral-)Feder, Elastomerkissen oder dergleichen ausgebildet sein kann. Auf diese Weise lässt sich die Druck-Volumen-Kennlinie des Druckspeichers gezielt beeinflussen. Dabei muss das elastische Element nicht kontinuierlich auf das Balgelement einwirken; vielmehr ist es auch möglich, dass die Einwirkung des elastischen Elements auf das Balgelement erst ab einem gewissen Verformungsgrad des Balgelements einsetzt, beispielsweise indem das elastische Element im drucklosen Neutral- oder Gleichgewichtszustand des Druckspeichers in einem gewissen Abstand von dem Balgelement angeordnet ist.
Anstelle des elastischen Elements kann alternativ oder zusätzlich auch ein Arbeitsgas verwendet werden, wie weiter oben für konventionelle Druckspeicher beschrieben.
Um einen anfänglichen Unterdruck zu begrenzen, welcher von einer mit dem Druckspeicher zusammenwirkenden Fluid-Saugpumpe zum Fördern des Fluids aufbringbar ist, sieht eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers vor, dass im Neutral- oder Gleichgewichtszustand des Druckspeichers ein Offenhalten der Zufuhröffnung bewirkt ist. Dies kann entweder durch das weiter oben genannte elastische Element geschehen, das vorspannend auf das Balgelement einwirkt, welches seinerseits über die angesprochene mechanische Kopplung den Schließkörper des Ventilmittels in einer offenen Stellung hält. Zusätzlich oder alternativ kann das Offenhalten der Zufuhröffnung auch durch die Federwirkung des Balgelements selbst realisiert werden.
Wie bereits angesprochen, weist der erfindungsgemäße Druckspeicher aufgrund des Verschließens der Zufuhröffnung ab einer gewissen Verformung des Balgelements wenigstens zwei anhand der Druck-Volumen-Kennlinie unterscheidbare Funktionsbereiche auf, nämlich einen relativ weichen Arbeitsbereich und einen stark progressiven Überdruckschutzbereich. Im einfachsten Fall ist in diesem Zusammenhang die Druck-Volumen-Kennlinie des erfindungsgemäßen Druckspeichers bilinear, das heißt unstetig ausgebildet und weist im Übergang zwischen den beiden genannten Funktionsbereichen einen deutlich ausgeprägten Knick auf. Insbesondere mittels des weiter oben erwähnten elastischen Elements ist es jedoch auch möglich, den Übergang zwischen den genannten Funktionsbereichen stetig gedrosselt auszubilden.
In diesem Zusammenhang sieht eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers vor, dass zum gezielten Beeinflussen der Druck-Volumen-Kennlinie das Ventilmittel eine variable Öffnungsgeometrie aufweist. Mit anderen Worten, das Ventilmittel besitzt nicht nur eine quasi binäre Öffnungs- und Schließfunktion, sondern ist beispielsweise aus einer Anzahl von gekoppelten Einzelventilen gebildet, die bei Druckbeaufschlagung nacheinander schließen, um so ein gedrosseltes Verhalten der Druck-Volumen-Kennlinie zu bewirken. Beispielsweise kann in dem Schließkörper eines ersten Ventils wiederum eine Zuführöffnung in Form eines Durchbruchs vorgesehen sein, die ihrerseits mittels eines weiteren Schließkörpers verschließbar ist, wobei das Verschließen der genannten Zuführöffnungen sukzessive erfolgt.
Um bei Anlauf des Pumpmittels für das Fluid den zum Öffnen des Ventilmittels erforderlichen Unterdruck zu begrenzen, sieht eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers vor, dass der Schließkörper, welcher im Wesentlichen tellerförmig ausgebildet sein kann, einen Dichtdurchmesser aufweist, der größer ist als der bei der Druckspeicherung wirksame Querschnitt des Balgelements. Eine solche Ausgestaltung führt jedoch zu einer Erhöhung des erforderlichen anfänglichen Unterdrucks zum Öffnen des Ventilmittels. Die vorliegende Erfindung schlägt deshalb weitere, alternative Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckspeichers vor, welche diese Problematik wirksam vermeiden, wobei in diesem Zusammenhang auf die nachfolgende detaillierte Figurenbeschreibung verwiesen wird.
Im Zuge einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers ist vorgesehen, dass ein Ventilkörper und/oder ein Ventilsitz des Ventilmittels in das Balgelement hinein baut, das heißt zumindest teilweise in dem Balginnern angeordnet ist, wodurch sich eine besonders kompakte Bauform ergibt.
Um beispielsweise das angesprochene Offenhalten der Zuführöffnung im Gleichgewichtszustand des Druckspeichers zu ermöglichen oder auch um die Druck-Volumen-Kennlinie des erfindungsgemäßen Druckspeichers gezielt zu beeinflussen, sieht eine äußerst bevorzugte Weiterbildung des Erfindungsgegenstands vor, dass das Balgelement als Metallbalg aus einem aushärtbaren Material ausgebildet ist. Beispiele für derartige aushärtbare Materialien sind die Werkstoffe Nr. 1.4568 und 2.4668 nach geltender EN-Norm.
Wie der Fachmann erkennt, ist das Balgelement der vorliegenden Erfindung jedoch nicht auf eine Ausgestaltung als Metallbalg beschränkt. Alternativ können hier grundsätzlich auch andere Materialien, wie Kunststoff, zum Einsatz kommen, sofern sie die betrieblichen Anforderungen an den Druckspeicher hinsichtlich Temperaturfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Dichtheit erfüllen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers;
2 einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers;
3 Druck-Volumen-Kennlinien für erfindungsgemäße Druckspeicher im Vergleich mit einem konventionellen Balgspeicher;
4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers mit einem zusätzlichen Federelement zur Beeinflussung der Druck-Volumen-Kennlinie;
5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers mit einem zusätzlichen Federelement zur Beeinflussung der Druck-Volumen-Kennlinie;
6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers mit einem zusätzlichen elastischen Element zur Beeinflussung der Druck-Volumen-Kennlinie;
7 eine Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers, bei der ein Ventilkörper des Ventilmittels in das Balgelement hinein baut; und
8 eine Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers, bei der die Ventilmittel eine variable Öffnungsgeometrie aufweisen.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers im Längsschnitt. Der Druckspeicher 1 umfasst einen Metallbalg 2, der hydraulisch gewellt ausgebildet sein kann oder der aus miteinander verschweißten Membranscheiben bestehen kann. Der Metallbalg 2 ist einseitig – vorliegend an seiner zeichnerischen Unterseite – durch einen Balgboden 3 verschlossen, welcher insbesondere an den Balg 2 angeschweißt sein kann. Der Balg 3 definiert in seinem Innern 4 ein Druck- oder Energiespeichervolumen, insbesondere für Bremsflüssigkeit in einem Bremssystem für Kfz-Anwendungen. An dem Balgboden 3 ist ein mechanisches Kopplungsteil 5 in Form eines hohlen Kreiszylinders angeordnet, welches sich entlang der Balglängsachse L erstreckt und an dessen von dem Balgboden 3 abgewandten Ende der im Wesentlichen tellerförmige Schließkörper 6 eines Sicherheitsventils 7 des Druckspeichers 1 angeordnet ist. Der Schließkörper 6 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu der genannten Längsachse L und weist an seinem äußeren Umfang eine Dichtung 8 in Form eines O-Rings auf, über welche er mit einem Ventilsitz 9 dichtend in Anlage tritt, wie in 1 gezeigt. Der Ventilsitz 9 ist (integraler) Teil eines größeren, durckbeaufschlagten Bereichs oder Volumens 10, welches durch einen Behälter 11 definiert ist, der vorliegend jedoch nur teilweise dargestellt ist. Der Balg 4 ist im Bereich des Ventilsitzes 9 an den genannten Behälter 11 angeschlossen, beispielsweise angeschweißt, und weist – zumindest bei geöffnetem Sicherheitsventil 7 – eine Zuführöffnung 12 in Kommunikation mit dem druckbeaufschlagten Volumen 10 auf, über welche ein unter Druck stehendes Fluid, das heißt eine Flüssigkeit oder ein Gas aus dem Bereich 10 in das Innere 4 des Balgs 2 einbringbar bzw. zuführbar ist.
Der Schließkörper 6 und der Ventilsitz 9 des Schutzventils 7 sind im Bereich der Zuführöffnung 12 konisch komplementär ausgebildet.
Wie bereits erwähnt, dient der Balg 2 als Druck-, Volumen- oder Energiespeicher bezogen auf ein druckbeaufschlagtes Fluid, welches aus dem Bereich 10 durch die Zuführöffnung 12 in das Innere 4 des Balgs 2 einströmt. Dabei dehnt sich der Balg 2 in Richtung seiner Längsachse L insbesondere nach unten hin aus, bis über das Kopplungsteil 5 der Schließkörper 6 des Sicherheitsventils 7 soweit mit nach unten bewegt worden ist, dass der Schließkörper 6 über die Dichtung 8 mit dem Ventilsitz 9 des Sicherheitsventils in Anlage tritt und die Zufuhröffnung 12 für das Fluid verschließt, so dass die Zufuhr des Fluids in das Balginnere 4 unterbunden ist. Mit anderen Worten: der erfindungsgemäße Druckspeicher 1 schließt sich in seinem gefüllten Zustand, so dass eine Überdruckbelastung des Balgs 2 wirksam verhindert wird. Dies drückt sich als starke Progression der Druck-Volumen-Kennlinie des Druckspeichers aus, die exemplarisch in 3 dargestellt und dort mit Bezugszeichen L1 bezeichnet ist. Der Knick der Kennlinie L1 symbolisiert dabei das Schließen des Sicherheitsventils 7.
Bei Anlegen eines Unterdrucks im Bereich 10 oberhalb des Schließkörpers 6, beispielsweise durch die Saugwirkung einer nicht gezeigten Pumpe, öffnet sich das Sicherheitsventil 7, so dass das im Balginnern 4 gespeicherte Fluidvolumen wieder in den Bereich 10 oberhalb des Sicherheitsventils 7 zurückströmen kann. Bei einer Weiterbildung des Druckspeichers gemäß 1 kann vorgesehen sein, dass der Balg 2 eine gewisse Federvorspannung aufweist, so dass bei einer Abnahme bzw. einem Verschwinden der Druckdifferenz über den Schließkörper 6 des Sicherheitsventils 7 ein quasi selbsttätiges Öffnen des Druckspeichers im Gleichgewichtszustand erreicht werden. Die Volumensteifigkeit des Druckspeichers 1 im Arbeitsbereich, das heißt in demjenigen Druck- bzw. Volumenänderungsbereich, in dem eine Verformung des Balgs 2 möglich ist, wird durch dessen Federrate und den fluidmechanisch wirksamen Querschnitt Q des Balgs 2 bestimmt.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Balg 2 aufgrund seiner eigenen Federwirkung im drucklosen Zustand, das heißt bei verschwindender Druckdifferenz über den Schließkörper 6 des Sicherheitsventils 7 das Schutzventil 7 zuzieht.
Zu dem Druckspeicher 1 gemäß 1 ist noch anzumerken, dass der Dichtdurchmesser D des Schutzventils 7 etwas größer als der fluidmechanisch wirksame Balgdurchmesser Q ist, um bei Anlauf der bereits erwähnten Pumpe den zum Öffnen des Schutzventils 7 erforderlichen Unterdruck im Bereich 10 zu begrenzen.
Der Balg 2 kann aus einem aushärtbaren Material, beispielsweise aus Stahl mit der EN-Werkstoffnummer 1.4568 hergestellt sein, wodurch sich der Arbeitsbereich des Druckspeichers 1 vergrößern lässt.
Die 2 zeigt eine Variante der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1, wobei vorliegend – wie auch bei den nachfolgenden Figuren – nur auf die entsprechenden Unterschiede näher eingegangen wird.
Bei der Ausgestaltung des Druckspeichers 1 gemäß 2 liegt der Balg 2 außerhalb des druckbeaufschlagten Bereichs 10, d. h. er wird selbst nicht mit dem druckbeaufschlagten Fluid gefüllt, wobei der Balg 2 allerdings zusammen mit seinem Boden bzw. Deckel 3 vollständig innerhalb des den Druck beaufschlagten Bereich 10 definierenden Druckbehälters 11 angeordnet ist.
Wie in 1 ist auch in 2 die Zuführöffnung 12 für das Fluid, welches entsprechend nicht in das Balginnere 4 sondern in den um den Balg 2 herum angeordneten Bereich 10 eingebracht wird, durch den Schließkörper 6 des Sicherheitsventils 7 verschlossen dargestellt.
Bei der Ausgestaltung gemäß 2 wird der Balg 2 bei Druckbeaufschlagung des Bereichs 10 soweit zusammengedrückt, bis der Schließkörper 6 des Sicherheitsventils 7 über die Dichtung 8 am Ventilsitz 9 anliegt, wobei letzterer vorliegend Bestandteil des Druckbehälters 11 ist. Dies entspricht bezogen auf die Funktion des Druckspeichers 1 wiederum gerade dem Knick der Druck-Volumen-Kennlinie L1, wie oben unter Bezugnahme auf die 3 bereits beschrieben.
Generell gilt, dass der erfindungsgemäße Druckspeicher 1 bei geöffnetem Sicherheitsventil 7 eine relativ weiche Kennlinie, das heißt relativ große Volumenänderung bei einer gegebenen Druckdifferenz aufweist. Sobald jedoch das Sicherheitsventil 7 aufgrund einer gewissen, eingetretenen Verformung des Balgs 2 schließt, ändert sich die Druck-Volumen-Kennlinie des Druckspeichers 1 abrupt, so dass auch von einer bilinearen Druck-Volumen-Kennlinie gesprochen werden kann. Dies ist in 3 mittels der bereits mehrfach erwähnten strichpunktierten Linie L1 dargestellt, welche die Volumenänderung ΔV des Balginnern 4 und damit des Druckspeichers 1 (vgl. 1) in Abhängigkeit von dem im Bereich 10 herrschenden Fluiddruck p angibt. In 3 ist deutlich erkennbar, wie bei Erreichen einer vorgegebenen Verformung, insbesondere Längung des Balgs 2 die Zufuhr des Fluids durch Verschließen der Zuführöffnung 12 unterbunden wird, wobei die genannte Verformung bzw. Volumenänderung gerade dem Knick der Linie L1 entspricht.
Bei einem Vergleich der Ausgestaltungen gemäß 1 und 2 erweist sich die erstgenannte, bei welcher der Balg 2 auch physikalisch-körperlich außerhalb des druckbeaufschlagten Bereichs 10 bzw. 11 angeordnet ist, als die leichtere und kostengünstigere Bauweise.
Dagegen ist bei der Ausgestaltung gemäß 2 der Balg 2 durch den Behälter 11 gegen Schadeinwirkung von außen weitgehend geschützt.
In beiden Fällen ermöglicht der Balg 2 aufgrund seiner Federwirkung in einfacher Weise ein Öffnen der Zuführöffnung 12 im drucklosen Zustand des Druckspeichers 1, was den Wirkungsgrad einer mit dem Druckspeicher 1 zusammenwirkenden Pumpe bzw. deren Förderleistung positiv beeinflusst, da kein anfänglicher Unterdruck zum Öffnen des Schutzventils 7 erforderlich ist.
Auf die 3 bzw. die dort gezeigte Kennlinie L1 wurde weiter oben unter Bezugnahme auf die Ausgestaltungen gemäß 1 bzw. 2 bereits explizit eingegangen. Zum Vergleich ist dort weiterhin bei L2 die Druck-Volumen-Kennlinie eines herkömmlichen Balgspeichers gezeigt, die über den gesamten Volumenänderungsbereich ΔV relativ weich ausgebildet ist, so dass in nachteiliger Weise kein Überdruckschutz existiert.
Weiterhin ist in 3 – mit L3 bezeichnet – gestrichelt eine gedrosselte bilineare Druck-Volumen-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Druckspeichers gezeigt, bei denen folglich der Übergang von einem „weichen" Funktionsbereich (links in 3) zu einem „harten" Funktionsbereich (rechts in 3) allmählich erfolgt. Technisch-konstruktive Realisierungen dieses Aspekts sind in den nachfolgenden 4 bis 8 exemplarisch dargestellt.
4 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1, welche grundsätzlich derjenigen in 1 entspricht, wobei der Druckspeicher 1 in 4 in seinem geöffneten Zustand dargestellt ist. Unterhalb des Balgbodens 3 ist ein elastisches Element in Form einer Spiralfeder 13 angeordnet, welche sich einerseits an der Unterseite des Balgbodens 3 und andererseits an einer geeigneten, ortsfesten Struktur 14 in der Nähe des Druckspeichers 1 abstützt.
Bei Abwärtsbewegung des Balgbodens 3 aufgrund einer Druckbeaufschlagung des Balginnenraums 4 wird die Feder 13 zusammengedrückt und beeinflusst so aufgrund ihrer rückstellenden Wirkung das Verformungsverhalten des Balgs 2 und somit die Druck-Volumen-Kennlinie des gesamten Druckspeichers 1, wie anhand der Kennlinie 13 in 3 dargestellt.
Des weiteren kann das elastische Element 13 gemäß 4 auch dazu verwendet werden, das Sicherheitsventil 7 so vorzuspannen, dass die Zuführöffnung 12 im drucklosen Zustand des Druckspeichers 1 zumindest leicht geöffnet ist, um die weiter oben beschriebene Problematik eines erforderlichen anfänglichen Unterdrucks im Bereich 10 zu vermeiden.
Wie der Fachmann erkennt, ist dieser Effekt nicht auf das Vorhandensein einer Spiralfeder als elastisches Element 13 beschränkt. Vielmehr können anstelle der exemplarisch genannten Spiralfeder auch beliebige andere elastische Elemente zum Einsatz kommen, sofern sie die beschriebene rückstellende Wirkung auf den Balgboden 3 ausüben.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1, bei der im Gegensatz zu der Ausgestaltung gemäß 4 im geöffneten, unbelasteten Zustand ein endlicher Abstand a zwischen dem elastischen Element 13 und dem Balgboden 3 existiert, so dass die drosselnde Wirkung des elastischen Elements 13 auf die Druck-Volumen-Kennlinie gemäß 3 erst zu einem späteren Zeitpunkt einsetzt, das heißt nach einer ersten, praktisch ungedrosselten Volumenänderung, für welche nur die (relativ weiche) Federkennlinie des Balgs 2 maßgeblich ist.
6 zeigt eine Abwandlung der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1 gemäß 5, wobei in 6 anstelle der genannten Spiralfeder als elastisches Element 13 ein Elastomerkissen zum Einsatz kommt, dessen Oberseite wiederum in einem endlichen Abstand a' von dem Balgboden 3 angeordnet ist.
Allgemein lässt sich durch geeignete Auswahl des elastischen Elements 13 in Kombination mit dem Abstand a, a' die Druck-Volumen-Kennlinie des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1 gezielt beeinflussen, wie exemplarisch in 3 anhand der Kurve L3 dargestellt.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1, welche in funktioneller Hinsicht im Wesentlichen derjenigen in 1 entspricht.
In 7 weist der Pfeil P hin zum Sauganschluss einer nicht gezeigten Pumpe. Diese steht in Wirkverbindung mit der Zuführöffnung 12 für das druckbeaufschlagte Fluid, welche sich vorliegend zentral durch einen Ventilkörper 15 des Sicherheitsventils 7 erstreckt und dort kammerartig erweitert ausgebildet ist, wobei untere Wände dieser Kammer zugleich den Ventilsitz 9 des Sicherheitsventils 7 bilden. Der Schließkörper 6 des Sicherheitsventils 7 ist vorliegend als Kugel ausgebildet und ebenfalls innerhalb der kammerartigen Erweiterung der Zuführöffnung 12 angeordnet. Innerhalb der kammerartigen Erweiterung der Zuführöffnung 12 sind außerdem Federmittel 16 angeordnet, welche den Schließkörper 6 nach unten gegen ein stiftartiges Kopplungsteil 5 vorspannen, welches mit dem Balgboden 3 fest verbunden ist und dabei wie auch der Ventilkörper 15 mit der Balglängsachse L fluchtet.
Der Balginnenraum 4 wird durch die Zuführöffnung 12 mit dem zu speichernden, unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt. Dabei kommt es zu einer Verformung, insbesondere Längung des Balgs 2 in Richtung seiner Längsachse L. Im Zuge dieser Verformung bewegt sich der Ventilkörper 15 mit dem Ventilsitz 9 gemäß der Darstellung in 7 nach oben, während der Schließkörper 6 durch die Federmittel 16 weiterhin gegen das obere Ende des Kopplungsteils 5 gepresst wird. Nach Durchlaufen eines Arbeitshubs H für den Balg 2, entsprechend einem Schließweg h des Schutzventils 7, tritt dann der kugelförmige Schließkörper 6 durch Einwirkung der Federmittel 16 mit dem Ventilsitz 9 in Anlage, so dass die Zuführöffnung 12 für das Fluid verschlossen wird und sich im Wesentlichen die Kennlinie L1 gemäß 3 ergibt.
Die Bauform gemäß 7 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der wirksame Querschnitt des Schutzventils klein gehalten werden kann und stellt außerdem eine geschachtelte und somit platzsparende Ausgestaltung dar, da das Schutzventil 7 in den Balg 2 hinein baut.
Der Ventilkörper 15 bildet gleichzeitig einen Deckel des Balgs 2 und ist vorzugsweise mit letzterem verschweißt.
Sofern der Balgboden 3, das Kopplungsteil 5 (welches vorliegend als Schutzventilstößel fungiert) und der Schließkörper 6 eine Einheit bilden, das heißt fest miteinander verbunden sind, kann zur Vereinfachung der Ausgestaltung gemäß 7 auf das Federmittel 16 verzichtet werden.
Die Dichtfunktion des Schutzventils 7, dessen Schließkörper 6 in 7 exemplarisch als Kugel dargestellt ist, kann bei Bedarf auch durch zusätzliche Dichtungselemente aus Kunststoff oder Elastomer (nicht gezeigt) sichergestellt werden.
Generell kann bei allen beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckspeichers die Funktionssicherheit des Schutzventils 7 bei Bedarf durch redundante, das heißt nacheinander schließende, in Reihe angeordnete Ventil- oder Dichtsätze noch erhöht werden.
Wie der Fachmann erkennt, lässt sich die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dichtspeichers 1 gemäß 7 auch mit weiteren Merkmalen der Ausgestaltungen gemäß 4 bis 6 kombinieren, indem unterhalb des Balgbodens 3 das weiter oben beschriebene elastische Element 13 angeordnet wird.
Die Federmittel 16 gemäß 7 sind so zu dimensionieren, dass bei Wegfall der Druckbeaufschlagung die Summe aus Balgfederkraft und der balgseitig auf die Fläche des Schließkörpers 6 wirkenden fluidmechanischen (pneumatischen oder hydraulischen) Kraft größer als die Federkraft der Federmittel 16 ist, um ein Freigeben der Zuführöffnung 12 zu ermöglichen.
Im entlasteten Zustand des Balgspeichers 1 wird das Schutzventil 7, dessen Schließkörper 6 in Schließrichtung federbelastet ist, durch das Kopplungsteil bzw. den Ventilstößel 5 in geöffneter Stellung gehalten. Dabei wirkt die Federkraft des Balges 2 entgegengesetzt der Federkraft der Federmittel 16 und ist so bemessen, dass diese beiden Kräfte in der genannten neutralen Balgstellung gerade gleich groß sind. Die Federmittel 16 sollten eine möglichst weiche Kennlinie haben, um die Gesamtfederkennlinie des Systems aus Balg 2 und Schutzventilfedermitteln 16 nicht unnötig zu verhärten.
Da das Schutzventil 7 im Neutralzustand des Balgs 2 immer zur Pumpensaugseite (vgl. Pfeil P) geöffnet ist, ist kein Anfangsunterdruck zum Öffnen des Schutzventils 7 durch die genannte Pumpe zu erzeugen. Hierdurch ist die Druckaufbaudynamik des gezeigten Druckspeichers 1 verbessert.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1, welche grundsätzlich zunächst im Wesentlichen derjenigen in 1 entspricht.
In Abgrenzung hiervon weist der tellerförmige Schließkörper 6 gemäß 8 einen zentralen, im Querschnitt konusförmig ausgebildeten Durchbruch 17 auf, dessen Seitenwände als Ventilsitz für einen komplementär ausgebildeten und darüber angeordneten Schließkörper 18 mit Dichtung 19 dienen. Der Schließkörper 18 ist ansonsten im Querschnitt im Wesentlichen T-förmig ausgebildet, wobei zwischen dem oberen Balken des T und der Oberseite des Schutzventil-Schließkörpers 6 ein Vorspannelement in Form einer Spiralfeder 20 angeordnet ist. Der Schließkörper 18 ist am oberen Ende des Kopplungsteils 5 angeformt, welches sich durch den Durchbruch 17 in dem Schutzventil-Schließkörper 6 erstreckt. Letzterer ist über die Feder 20 mit dem Schließkörper 18 verbunden.
Mit entscheidend für die Funktion des Druckspeichers 1 gemäß 8 ist die Tatsache, dass die Oberseite des T-förmigen Schließkörpers 18 flächenmäßig von der Oberseite des Schutzventil-Schließkörpers 6 verschieden ist. Bei Druckbeaufschlagung des Druckspeichers 1 im Bereich 10 strömt somit zunächst Fluid aus dem Bereich 10 durch die Zuführöffnung 12, das heißt insbesondere auch durch den Durchbruch 17 in das Innere 4 des Balges 2. Es kommt zu einer Verformung (Längung) des Balges 2, so dass sich über die Wirkung des Kopplungsteils 5 der Schließkörper 18 nach unten bewegt. Dabei kommt es zu einer Einwirkung auf den Schutzventil-Schließkörper 6, so dass sich auch dieser nach unten bewegt. Der Schutzventil-Schließkörper 6 bewegt sich jedoch auch aufgrund der Druckbeaufschlagung im Bereich 10 selbständig nach unten, wobei seine Abwärtsbewegung aufgrund der größeren Fläche stärker ausfällt als die des Schließkörpers 18. Dabei kommt es zu einer Längung der Feder 20, über welche die beiden Schließkörper 6, 18 gekoppelt sind. Letztendlich wird die Zuführöffnung 12 für das zu speichernde Fluid zunächst durch den Schließkörper 6 teilweise verschlossen, was sich in bekannter Weise auf die Druck-Volumen-Kennlinie (vgl. 3) des Druckspeichers 1 auswirkt. Anschließend verschließt der Schließkörper 18 den Durchbruch 17 in dem Schließkörper 6, so dass das Schutzventil 7 vollständig geschlossen und der beabsichtigte Überdruckschutz für den Balg 2 gewährleistet ist.
Über das Verhältnis der fluidmechanisch wirksamen Oberflächen des Schutzventil-Schließkörpers 6 und des weiteren Schließkörpers 18 sowie über die Härte der Feder 20 lässt sich das Schließverhalten des in 8 gezeigten Schutzventils 7 gezielt beeinflussen.
Wie der Fachmann erkennt, können darüber hinaus auch beim Gegenstand der 8 die weiteren elastischen Mittel 13 gemäß einer der 4 bis 6 zum Einsatz kommen.
Auch eine Übertragung der zusätzlichen Merkmale gemäß den Ausgestaltungen in 4 bis 8 auf den erfindungsgemäßen Druckspeicher 1 in seiner gewissermaßen komplementären Ausgestaltung gemäß 2 ist für den Fachmann ohne Weiteres möglich.

Claims

Druckspeicher (1) mit wenigstens einem zumindest einseitig geschlossenem Balgelement (2), insbesondere Metallbalg, das ein Speichervolumen (4, 10) definiert, in welches zur Druck- oder Volumenspeicherung ein Fluid, insbesondere eine Bremsflüssigkeit, über mindestens eine Zuführöffnung (12) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Balgelement (2) mit wenigstens einem Ventilmittel (7) zusammenwirkt, welches dazu ausgebildet ist, bei Erreichen einer vorgegebenen Verformung (H), insbesondere Längung des Balgelements (2) die Zufuhr des Fluids durch Verschließen der Zuführöffnung (12) zu unterbinden.
Druckspeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel (7) zum Verschließen der Zuführöffnung (12) wenigstens einen Schließkörper (6, 18) aufweist, der mechanisch mit dem Balgelement (2) gekoppelt ist, so dass über die Verformung (H) des Balgelements (2) das Verschließen der Zuführöffnung (12) bewirkbar ist.
Druckspeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen (4) im Innern des Balgelements (2) ausgebildet ist.
Druckspeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen außerhalb des Balgelements (2), insbesondere als ein das Balgelement (2) umgebender Druckbehälter (11) ausgebildet ist.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Balgelement (2) zumindest bei gewissen Verformungsgraden mit wenigstens einem elastischen Element (13) zusammenwirkt, um die Druck-Volumen-Kennlinie des Druckspeichers (1) zu beeinflussen.
Druckspeicher (1) nach mindestens Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das elastische Element (13) im Gleichgewichtszustand des Druckspeichers (1) ein Offenhalten der Zuführöffnung (12) bewirkt ist.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (1) wenigstens zwei anhand seiner Druck-Volumen-Kennlinie unterscheidbare Funktionsbereiche aufweist.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Volumen-Kennlinie des Druckspeichers (1) bilinear ausgebildet ist.
Druckspeicher (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen den Funktionsbereichen gedrosselt ausgebildet ist.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beeinflussen der Druck-Volumen-Kennlinie das Ventilmittel (7) eine variable Öffnungsgeometrie aufweist.
Druckspeicher (1) nach mindestens Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsgeometrie durch die Verformung des Balgelements (2) gesteuert ist.
Druckspeicher (1) nach Anspruch 10 oder 11, dass zwischen dem Balgelement (2) und einem Schließkörper (6) des Ventilmittels (7) ein elastisches Element (20) zum Beeinflussen der Druck-Volumen-Kennlinie vorgesehen ist.
Druckspeicher (1) nach mindestens Anspruch 2 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (6) im Wesentlichen tellerförmig ausgebildet ist.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtdurchmesser (D) des Ventilmittels (7) größer ist als der bei der Druckspeicherung wirksame Durchmesser (Q) des Balgelements (2).
Druckspeicher (2) nach mindestens Anspruch 2 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (6) im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilkörper (15) und/oder Ventilsitz (9) des Ventilmittels (7) in das Balgelement (2) hinein baut.
Druckspeicher (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Balgelement (2) als Metallbalg aus einem aushärtbaren Material ausgebildet ist.