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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Mehrkolbenpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Sie ist als sog. Rückförderpumpe
in blockierschutz-, antriebsschupf- und/oder fahrdynamikgeregelten,
hydraulischen Fahrzeugbremsanlagen oder zum (Betriebs-)Bremsdruckaufbau
in elektrohydraulischen Fahrzeugbremsanlagen vorgesehen.
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Kolbenpumpen
für hydraulische Fahrzeugbremsanlagen sind bekannt. Sie
weisen konstruktiv bedingt einen pulsierenden Förderstrom
auf, der aufgrund seiner Rückwirkung auf ein Fußbremspedal (oder
einen Handbremshebel einer Betriebshandbremse beispielsweise eines
Motorrads) unerwünscht sind. Zur Verringerung der Druckpulsationen sind
Mehrkolbenpumpen bekannt, deren Pumpenkolben phasenverschoben angetrieben
werden. Beispielsweise sind drei Pumpenkolben sternförmig
um einen elektromotorisch antreibbaren Exzenter angeordnet, der
die Pumpenkolben zu einer Hubbewegung antreibt. Die winkelversetzte
Anordnung der Pumpenkolben um den gemeinsamen Exzenter zu ihrem
Antrieb bewirkt eine Phasenverschiebung der Förderströme
der Pumpenkolben. Auslässe der Pumpenkolben sind verbunden,
so dass sich die Förderströme der Pumpenkolben
addieren, wodurch sich die Druckpulsation verringert.
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Es
ist für jeden Bremskreis einer hydraulischen Fahrzeugbremsanlage
eine solche Mehrkolbenpumpe mit phasenverschoben angetriebenen Pumpenkolben
erforderlich. Ein Beispiel einer derartigen Mehrkolbenpumpe offenbart
die Offenlegungsschrift
DE
198 25 114 A1 . Diese Mehrkolbenpumpe weist drei sternförmig
und gleichmäßig, d. h. um 120° winkelversetzt
angeordnete Pumpenkolben in Sternanordnung auf. Für zwei
Bremskreise einer hydraulischen Fahrzeugbremsanlage sieht die genannte
Offenlegungsschrift zwei axial hintereinander angeordnete Mehrkolbenpumpen
mit jeweils drei Pumpenkolben in Sternanordnung vor.
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Die
Sternanordnung ist nicht zwingend, eine Phasenverschiebung der Pumpenkolben
ist beispielsweise auch bei einer Reihen- oder V-Anordnung möglich.
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Ein
Nachteil bekannter Kolbenpumpen ist eine Verringerung ihrer Förderleistung
durch Ein- und Auslassventile zur Steuerung des Förderstroms.
Die Ein- und Auslassventile von Kolbenpumpen für hydraulische
Fahrzeugbremsanlagen sind in der Regel Rückschlagventile,
so dass keine Ventilsteuerung erforderlich ist. Insbesondere wenn
ein Einlassventil im Pumpenkolben angeordnet ist, wirkt sich das
negativ auf die Förderleistung der Kolbenpumpe aus. Speziell
bei niedriger Temperatur und infolge dessen zähflüssiger
Bremsflüssigkeit kann die Förderleistung der Kolbenpumpe
zu niedrig für eine ausreichende Druckaufbaudynamik sein.
Bei Kolbenpumpen für hydraulische Fahrzeugbremsanlagen
ist es vielfach üblich, das Einlassventil in den Pumpenkolben
zu integrieren, nämlich in einem axialen Sackloch im Pumpenkolben
anzuordnen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Mehrkolbenpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 weist zwei Pumpenkolben auf, die mit einer Phasenverschiebung,
jedoch nicht gegenphasig angetrieben werden. Auslässe der
beiden Pumpenkolben sind miteinander verbunden zu einem gemeinsamen
Auslass der Mehrkolbenpumpe an den ein Bremskreis einer hydraulischen
Fahrzeugbremsanlage angeschlossen ist. Die beiden Pumpenkolben weisen
eine Fluidsteuerung auf, beispielsweise in bekannter Weise mit Ventilen (Ein-
und Auslassventilen), insbesondere Rückschlagventilen.
Außer den Pumpenkolben weist die erfindungsgemäße
Mehrkolbenpumpe einen Ausgleichskolben ohne Fluidsteuerung auf,
dessen Anschluss (Ein- und Auslass) mit den Auslässen der Pumpenkolben
kommuniziert. Der Ausgleichskolben wird in etwa gegenphasig zu einer
Mitte der Phasenverschiebung der beiden Pumpenkolben angetrieben.
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Der
Ausgleichskolben ist für sich gesehen nicht zur Förderung
von Fluid in der Lage, weil er keine Fluidsteuerung aufweist. Bei
seiner Hubbewegung weist der Ausgleichskolben ein sich abwechselnd
vergrößerndes und verkleinerndes Fluidvolumen
auf, wie es auch bei den Pumpenkolben der Fall ist. Durch die Phasenverschiebung
verdrängt der Ausgleichskolben Fluid in den gemeinsamen
Auslass der Mehrkolbenpumpe, wenn das Fördervolumen der Pumpenkolben
klein oder null ist. Bei großem Fördervolumen
der Pumpenkolben während ihres Kolbenhubs vergrößert
der Ausgleichskolben sein Fluidvolumen und nimmt Bremsflüssigkeit
der Pumpenkolben auf.
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Der
Ausgleichskolben verringert eine Druckpulsation der Pumpenkolben,
die Druckpulsation einer erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe
mit zwei Pumpenkolben und einem Ausgleichskolben ist grundsätzlich
nicht größer als die Druckpulsation einer herkömmlichen
Vierkolbenpumpe. Der Ausgleichskolben der erfindungsgemäßen
Mehrkolbenpumpe ist mit den Auslässen der Pumpenkolben
verbunden, er verringert deswegen die Druckpulsationen beider Ausgleichkolben.
Ausserdem verringern sich die Druckpulsationen der beiden Pumpenkolben gegenseitig.
Insgesamt ergibt sich bei zwei Pumpenkolben und einem Ausgleichskolben
eine Druckpulsation, die derjenigen einer herkömmlichen
Vierkolbenpumpe mit vier Pumpenkolben entspricht. Die Verringerung
der Druckpulsation ist ausser von der Anzahl der Kolben auch von
deren Phasenlage und der Hubvolumina abhängig.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil,
dass sie mit sehr geringen Änderungen anstelle einer herkömmlichen
Mehrkolbenpumpe herstellbar ist. Insbesondere kann ein herkömmlicher Hydraulikblock
verwendet werden.
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Weiterer
Vorteil ist bereits genannte geringe Druckpulsation.
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Ein
zusätzlicher Vorteil ist, dass der Ausgleichskolben keine
Fluidsteuerung, also weder Ein- noch ein Auslassventil benötigt,
was die Herstellungskosten senkt. Außerdem verbessert das
Fehlen der Fluidsteuerung die Pumpleistung des Ausgleichskolbens.
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Die
Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.
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Die
Phasenverschiebung der beiden Pumpenkolben liegt vorzugsweise in
einem mittleren Bereich zwischen 0° und 180°,
beispielsweise in einem Bereich von etwa zwischen 30° und
150° (Anspruch 2). Für einen möglichst
gleichmäßigen Förderstrom haben die beiden
Pumpenkolben eine Phasenverschiebung von 90° zueinander
und der Ausgleichskolben liegt in der Mitte dazwischen, hat also
eine Phasenverschiebung von 135° zu beiden Pumpenkolben.
Das Merkmal zwei Pumpenkolben ist im Sinne von mindestens zwei Pumpenkolben
oder vorzugsweise zwei Pumpenkolben zu verstehen, wobei die Anzahl
der Pumpenkolben und des Ausgleichskolbens für jeden Bremskreis
einer Fahrzeugbremsanlage vorzusehen ist, sofern für den
jeweiligen Bremskreis eine niedrige Druckpulsation angestrebt wird.
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Der
Ausgleichskolben dient nur zur Reduzierung der Förderstrompulsationen
und trägt nicht zur Pumpenförderleistung bei.
Der Ausgleichskolben kann deswegen einen kleineren Kolbendurchmesser als
die Pumpenkolben aufweisen (Anspruch 3). Ein kleinerer Kolbendurchmesser
des Ausgleichskolbens ist auch deswegen möglich, weil die
Förderleistung der Pumpenkolben nicht verringert wird,
lediglich die Druckpulsation wird weniger stark verringert, was
in begrenztem Maß nicht spürbar und kein Nachteil
ist. Eine mechanische Reibung des Ausgleichskolbens wird durch den
kleineren Kolbendurchmesser verringert.
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Bei
gleichem Hub ist hinsichtlich einer möglichst kleinen Druckpulsation
der erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe zumindest
rechnerisch ein Flächenverhältnis der Pumpenkolben
zum Ausgleichskolben von √2 (in Worten: Wurzel aus zwei)
ideal, die Kolbenfläche der Pumpenkolben ist also um den
Faktor √2 größer als die Kolbenfläche
des Ausgleichskolbens (Anspruch 4). Es sind die Kolbenflächen
und nicht die Kolbendurchmesser gemeint, letztere stehen im Verhältnis
der 4√2 (in Worten: vierte Wurzel aus
zwei) zueinander. Das gilt unter der Voraussetzung eines gleichen
Hubs der Kolben, bei unterschiedlichen Hüben gilt das Verhältnis
von √2 für die Hubvolumina.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine
Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe;
und
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2 ein
Förderstromdiagramm der Mehrkolbenpumpe aus 1.
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Ausführungsform der
Erfindung
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1 zeigt
in schematisierter Form eine erfindungsgemäße
Mehrkolbenpumpe 1. Die Mehrkolbenpumpe 1 ist für
hydraulische Fahrzeugbremsanlagen vorgesehen, beispielsweise als
Rückförderpumpe einer blockierschutz-, antriebsschlupf- und/oder
fahrdynamikgeregelten Fahrzeugbremsanlage. Übliche Ab kürzungen
solcher Regelungen sind ABS, ASR, FDR und/oder ESP. Eine weitere
Einsatzmöglichkeit der Kolbenpumpe 1 sind elektrohydraulische
Fahrzeugbremsanlagen (Abkürzung EHB). Bei letzteren handelt
es sich um Fremdkraft-Bremsanlagen, bei denen der zum Bremsen erforderliche
Betriebsbremsdruck mit einer Kolbenpumpe erzeugt wird, die Teil
einer Fremdenergieversorgungseinrichtung ist. Die Mehrkolbenpumpe 1 ist
für einen Bremskreis vorgesehen.
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Die
Mehrkolbenpumpe 1 weist drei Kolben 2, 3 auf,
die sternförmig um einen Exzenter 4 angeordnet
sind. Die Kolben 2, 3 sind in Zylindern oder Pumpenbohrungen 5 axial
verschieblich aufgenommen. Die Pumpenbohrungen 5 sind beispielsweise
in einem nicht dargestellten Hydraulikblock angebracht, in dem außer
den Pumpenkolben 2, 3 weitere hydraulische Bauelemente
wie Hydrospeicher und Magnetventile einer Schlupfregelung untergebracht
und durch Bohrungen, die Bremsflüssigkeitsleitungen bilden,
hydraulisch miteinander verschaltet sind. Der Hydraulikblock ist
in der Zeichnung nicht dargestellt, er ist für derartige
Schlupfregeleinrichtungen bekannt.
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Der
Exzenter 4 ist mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten
Elektromotor rotierend um eine Drehachse 6 antreibbar,
zu der der Exzenter 4 exzentrisch ist. Bei rotierendem
Antrieb bewegt sich der Exzenter 4 auf einer Kreisbahn
um die Drehachse 6. Die Drehachse 6 befindet sich
in einem Schnittpunkt gedachter Längsachsen der Kolben 2, 3.
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Auf
dem Exzenter 4 abgewandten Stirnseiten der Kolben 2, 3 sind
Kolbenfedern 7 in den Pumpenbohrungen 5 angeordnet,
die die Kolben 2, 3 in Anlage am Umfang des Exzenters 4 halten.
Bei rotierendem Antrieb treibt der Exzenter 4 die Kolben 2, 3 zu
hin- und hergehenden Hubbewegungen in den Pumpenbohrungen 5 an.
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Zwei
Kolben 2 weisen eine Fluidsteuerung auf, die ein Einlassventil 8 und
ein Auslassventil 9 umfasst. Die Einlassventile 8 sind
in die Kolben 2 integriert, was allerdings nicht zwingend
ist. Die Ventile 8, 9 sind als Rückschlagventile
aus gebildet, sie steuern die Durchströmungsrichtung von
Bremsflüssigkeit. Bremsflüssigkeit strömt
radial durch eine Querbohrung in die Kolben 2, anschließend
durch eine Axialbohrung durch das in den Kolben 2 integrierte Einlassventil 8 in
die Pumpenbohrung 5. Aus der Pumpenbohrung 5 strömt
die Bremsflüssigkeit durch das Auslassventil 9.
Die Durchströmung und Förderung der Bremsflüssigkeit
ist von Kolbenpumpen bekannt. Die beiden Kolben 2, die
die Fluidsteuerung mit den Einlassventilen 8 und den Auslassventilen 9 aufweisen,
werden nachfolgend als Pumpenkolben 2 bezeichnet. Ihre
Einlässe 10 sind miteinander verbunden, ebenso
ihre Auslässe, die einen gemeinsamen Auslass 11 der
Mehrkolbenpumpe 1 bilden.
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Beide
Pumpenkolben 2 sind in einer V-Anordnung mit einem Winkelversatz
von beispielsweise 90° angeordnet. Das ergibt eine Phasenverschiebung
der Förderströme der beiden Pumpenkolben 2 von
ebenfalls 90° und eine pulsierende Bremsflüssigkeitsströmung
im Auslass 11.
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Der
dritte Kolben 3 wird nachfolgend als Ausgleichskolben 3 bezeichnet,
er weist keine Ventile und keine Fluidsteuerung auf. Er ist auf
einer Winkelhalbierenden der beiden Pumpenkolben 2 und
den beiden Pumpenkolben 2 in Bezug auf den Exzenter 4 gegenüber
angeordnet, wodurch sich insgesamt die Sternanordnung der Kolben 2, 3 ergibt.
Durch die Anordnung auf der Winkelhalbierenden den beiden Pumpenkolben 2 gegenüber
pumpt der Ausgleichskolben 3 gegenphasig zum gemeinsamen
Förderstrom der beiden Pumpenkolben 2. Der Ausgleichskolben 3 weist
lediglich einen Anschluss 12 auf, der mit dem Auslass 11 verbunden
ist, d. h. der Ausgleichskolben 3 kommuniziert mit den
beiden Pumpenkolben 2. Bei seiner Hubbewegung saugt der Ausgleichskolben 3 abwechselnd
Bremsflüssigkeit aus dem Auslass 11 an und verdrängt
anschließend das angesaugte Bremsflüssigkeitsvolumen
wieder in den Auslass 11. Da der Ausgleichskolben 3 gegenphasig
zu den beiden Pumpenkolben 2 angetrieben wird, saugt der
Ausgleichskolben 3 Bremsflüssigkeit dann an, wenn
der Förderstrom der Pumpenkolben 2 groß ist.
Fördern die Pumpenkolben 2 bei ihrem Rückhub
keine Bremsflüssigkeit, verdrängt der Ausgleichskolben 3 Bremsflüssigkeit,
so dass die erfindungsgemäße Mehrkolbenpumpe 1 auch
dann einen Förderstrom am Auslass 11 aufweist,
wenn die beiden Pumpenkolben 2 beim Rückhub nicht
fördern. Der Ausgleichskolben 3 senkt also den
maximalen Förderstrom der Pumpenkolben 2 und erhöht
bzw. bewirkt einen Förderstrom, wenn die beiden Pumpenkolben 2 wenig
oder nicht fördern. Eine Druckpulsation der Mehrkolbenpumpe 1 ist
verringert und in etwa gleich groß wie eine Druckpulsation
einer vergleichbaren Mehrkolbenpumpe wäre, die vier Pumpenkolben
mit Fluidsteuerung aufweist.
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Bei
gleichem Hub ist eine Kolbenfläche der Pumpenkolben 2 ist
um den Faktor √2 größer als eine Kolbenfläche
des Ausgleichskolbens 3. Der gleiche Hub ergibt sich durch
den Antrieb aller Kolben 2, 3 mit einem gemeinsamen
Exzenter 4.
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Die
Förderströme der beiden Pumpenkolben 2 sind
in dem Diagramm der 2 dargestellt und mit den Bezugszahlen I, II bezeichnet.
Auf der Ordinate ist der Volumenstrom V und auf der Abszisse der
Drehwinkel φ (phi) des Exzenters 4 aufgetragen. Außerdem
sind der Saug- und Verdrängsvolumenstrom III (nachfolgend
als Pumpstrom bezeichnet) des Ausgleichskolbens 3 und der
Förderstrom im Auslass 11 der Mehrkolbenpumpe 1 eingezeichnet und
letzterer ebenfalls mit dem Bezugszeichen V bezeichnet.
Er ist die Summe der Förderströme der beiden Pumpenkolben 2 und
zusätzlich des abwechselnd negativen und positiven Pumpstroms III des Ausgleichskolbens 3.
Die verhältnismäßig kleine Druckpulsation
des Förderstroms V ist gut zu erkennen.
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Für
jeden Bremskreis ist jeweils eine Mehrkolbenpumpe 1 vorgesehen,
die axial hintereinander angeordnet sind und deren Exzenter 4 drehfest
miteinander sind und von einem gemeinsamen Elektromotor angetrieben
werden (nicht dargestellt). Es ist möglich, die Mehrkolbenpumpe 1 mit
mehr als zwei Pumpenkolben 2 und einem Ausgleichskolben 3 auszubilden
(nicht dargestellt). Der Ausgleichskolben 3 weist einen
kleineren Durchmesser auf als die Pumpenkolben 2. Das ist
ohne Einbuße der Förderleistung möglich,
weil die Förderleistung durch die Hubräume der
Pumpenkolben 2 bestimmt wird. lediglich die Druckpulsation
wird größer, was aber bis zu einem gewissen Maß nicht
stört. Außerdem ist die Pumpleistung des Ausgleichskolbens 3 bei
gleichem Kolbendurchmesser größer, weil er keine
Ventile aufweist, die eine Förderleistung der Pumpenkolben 2 drosseln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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