DE102011081538A1

DE102011081538A1 - Hydraulisches Element

Info

Publication number: DE102011081538A1
Application number: DE201110081538
Authority: DE
Inventors: Bernd Waltersberger; Alexander Fidlin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Hydraulisches Element zur Reduzierung von Schwingungen in einer Fluidleitung zur Reduzierung von Schwingungen in einem hydraulischen Ausrücksystem einer Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei das hydraulische Element mindestens eine drehbar gelagerte Dämpfungsmasse aufweist, die durch einen Volumenstrom durch die Fluidleitung in Rotation versetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Element zur Reduzierung von Schwingungen in einer Fluidleitung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein hydraulisches System, das ein solches hydraulisches Element umfasst.
Derartige hydraulische Elemente werden auch als Kribbelfilter bezeichnet. Sie dienen unter anderem dem Filtern von in eine hydraulische Strecke zur Kupplungsbetätigung eingetragenen Druckschwingungen, die auf das Kupplungsbetätigungspedal übertragen werden. Der Kribbelfilter befindet sich in der Druckleitung zwischen Nehmer- und Geberzylinder. Sein Aufbau entspricht meist im Wesentlichen dem eines doppeltwirkenden Rückschlagventils, welches, um einen Vorlastdruck am Nehmerzylinder zu vermeiden, eine geringe Grundleckage besitzt. Bei einem als Schlauchkribbelfilter ausgebildeten Dämpfungsfilter werden die Rückschlagventile mittels eines über mehreren Bohrungen liegenden Schlauches realisiert.
Ein gattungsgemäßes hydraulisches Element ist beispielsweise aus der DE 10 2008 060 584 A1 bekannt. Dieses umfasst ein Dämpfungsvolumen, das in der Art eines Helmholtz-Resonators über einen Verbindungskanal an die Hydraulikdruckleitung angeschlossen ist. Dadurch wird die hydraulische Kapazität des Systems vergrößert. Große hydraulische Kapazitäten wirken sich jedoch nachteilig auf die hydrostatischen Funktionen des Aktorsystems aus, beispielsweise sind dann größere Wege der Gebersysteme erforderlich, bis ein gewünschter Druck aufgebaut ist.
Ein weiteres gattungsgemäßes hydraulisches Element ist aus der EP 1 085 249 bekannt. Das Konzept dieses Dämpfers basiert auf einer Blende. Dies ist hydrostatisch bei großen Betätigungshüben nachteilig, da dabei unter anderem durch Dissipation die Betätigungskräfte erhöht werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes hydraulisches Element bereitzustellen, durch das sowohl die Betätigungskraft als auch der Betätigungsweg nicht oder nicht wesentlich erhöht werden.
Dieses Problem wird gelöst durch ein hydraulisches Element zur Reduzierung von Schwingungen in einer Fluidleitung in einem hydraulischen Ausrücksystem einer Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei das hydraulische Element mindestens eine drehbar gelagerte Dämpfungsmasse aufweist, die durch einen Volumenstrom durch die Fluidleitung in Rotation versetzt wird. Die Rotation der Dämpfungsmasse bzw. der Dämpfungsmassen ist dabei an den Volumenstrom durch das hydraulische Element gekoppelt. Dies hat zur Folge, dass eine Veränderung des Volumenstromes eine Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit der Dämpfungsmasse bewirkt. Umgekehrt ist so aber auch der Volumenstrom mit der Rotationsgeschwindigkeit der Dämpfungsmasse gekoppelt. Allein die Massenträgheit der Dämpfungsmasse bezüglich ihrer Rotation bewirkt dadurch eine Dämpfung von Druckschwankungen. Im Prinzip handelt es sich so um die hydraulische Umsetzung eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung, die eine Dämpfung von Druckschwankungen bewirkt. Eine zusätzliche Dämpfung bewirkt die (trockene) Reibung der Lagerstellen der Dämpfungsmasse. Da hier die Haftreibung üblicherweise größer als die Gleitreibung ist, wirkt dieser Dämpfungsanteil insbesondere bei Druckschwankungen um den Nullpunkt des Volumenstromes herum, dies bedeutet, dass die Dämpfungswirkung bei konstanter Stellung des Geberzylinders am größten ist. Genau dies ist die eigentlich gewünschte Funktion eines Kribbelfilters, sodass das erfindungsgemäß hydraulische Element eine besonders effektive Ausgestaltung eines Kribbelfilters darstellt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dämpfungsmasse hydrostatisch in den Volumenstrom eingekoppelt ist. Unter hydrostatischer Einkopplung wird hier verstanden, dass bei gedanklich festgehaltener Dämpfungsmasse ein Volumenstrom abgesehen von einem unvermeidbaren Leckagestrom unterbunden würde. Die Rotation der Dämpfungsmasse ist also unmittelbar an den Volumenstrom gekoppelt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dämpfungsmasse hydrodynamisch in den Volumenstrom eingekoppelt ist. Unter einer hydrodynamischen Einkopplung wird hier verstanden, dass bei gedanklich festgehaltener Dämpfungsmasse unabhängig von einem Leckagestrom ein Volumenstrom durch das hydraulische Element möglich wäre. Ein solches Verhalten zeigen zum Beispiel Turbomaschinen, wobei das hydraulische Element dann wie eine Blende wirken würde.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dämpfungsmasse Teil einer Axial- oder Radialturbine ist. Insbesondere die Ausgestaltung als Axialturbine ermöglicht einen relativ einfachen Aufbau des hydraulischen Elementes mit wenigen bewegbaren Teilen und eine radial kleine Baugröße.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dämpfungsmasse Teil eines Hydraulikmotors ist. Ein solcher Hydraulikmotor kann insbesondere in Form einer Zahnradpumpe umgesetzt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dämpfungsmasse mit einem Torsionsschwingungstilger gekoppelt ist. Der Torsionsschwingungstilger umfasst eine Drehmasse, die mittels einer Torsionsfeder mit der Dämpfungsmasse verbunden ist. Der Torsionsschwingungstilger bildet für die Drehmasse so einen Schwingungstilger, der auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dämpfungsmasse mit einer Reibungsbremse gekoppelt ist. Die Reibungsbremse kann direkt an einer der mehreren Dämpfungsmassen angreifen und eine konstante Reibung oder eine veränderbare Reibung, die mittels eines Einstellelementes wie einem Aktor oder dergleichen veränderbar ist, aufweisen. Durch die entsprechende Gestaltung der aufeinander reibenden Flächen kann erreicht werden, dass die Haftreibung besonders viel größer als die Gleitreibung ist, sodass Volumenstromschwankungen um den Nullpunkt herum besonders effektiv gedämpft werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reibungsbremse eine Haftreibung aufweist, die größer ist als deren Gleitreibung, sodass kleine Volumenströme in der Fluidleitung stärker gedämpft werden als große Volumenströme.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein hydraulisches System zur Betätigung einer Fahrzeugkupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, umfassend zumindest einen Geberzylinder, einen Nehmerzylinder und ein hydraulisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Elementes,
2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einem Dämpfer,
3 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Elementes,
4 ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Elementes.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Elementes 1 in einem Querschnitt. Das hydraulische Element 1 ist ein Teil eines hydraulischen Systems zur Betätigung einer Fahrzeugkupplung, wie dies z. B. in der DE 10 2009 036 438 A1 beschrieben ist. Das hydraulische System umfasst einen Geberzylinder und einen Nehmerzylinder, die durch eine Hydraulikleitung (im Stand der Technik oft auch als Fluidleitung oder Druckleitung bezeichnet) hydraulisch miteinander verbunden sind. In der Hydraulikleitung ist ein meist als Kribbelfilter bezeichnetes hydraulisches Element 1 angeordnet und teilt die Hydraulikleitung in einen geberzylinderseitigen 2 und einen nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18. Das hydraulische Element kann z. B. mit Schnellkupplungen mit den beiden Leitungsteilen 2, 18 verbunden werden.
Ein geberzylinderseitiger Leitungsteil 2 und ein nehmerzylinderseitiger Leitungsteil 18 der hier nicht dargestellten Geber- und Nehmerzylinder verbindenden Fluidleitung (Hydraulikleitung) sind mit einem Gehäuse 10 des hydraulischen Elements 1 verbunden. In dem in 1 gezeigten Querschnitt umfasst das Gehäuse 10 zwei annähernd halbkreisförmige Hohlräume 20, die sich symmetrisch zur gemeinsamen Mittelachse der Leitungsteile 2, 18 erstrecken. In jedem dieser Hohlräume 20 ist jeweils ein Zahnrad 3 als Dämpfungsmasse angeordnet. Jedes der Zahnräder 3 ist mittels Lagern 4 drehbar an dem Gehäuse 10 gelagert. Die Zahnräder 3 sind derart angeordnet, dass diese miteinander kämmen und dass die Zähne 11 auf einem Teil der Umfangsstrecke nahe am Gehäuse 10 entlang bewegt werden, sodass Hohlräume zwischen den Zähnen 11 und dem Gehäuse 10 entstehen. In 1 ist von den Zähnen 11 jeweils nur einer eines jeden Zahnrades 3 dargestellt. Durch die symmetrische Anordnung des Gehäuses 10, der Lager 4 und der Zahnräder 3 zu den Leitungsteilen 2, 18 befindet sich der Bereich, in dem die Zähne 11 kämmen, zwischen dem geberzylinderseitigen Leitungsteil 2 und dem nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18. Die Zahnräder 3 sind somit Teil eines Hydraulikmotors, der ähnlich einer Zahnradpumpe aufgebaut ist. Abgesehen von einem Leckagestrom führt jeder Volumenstrom zu einer Drehung der Zahnräder 3, was hier als hydrostatische Kopplung der Zahnräder 3, die gleichzeitig Dämpfungsmassen sind, bezeichnet wird.
Im Betrieb fließt Fluid, hier durch Pfeile 5 bezeichnet, beispielsweise durch das geberzylinderseitige Leitungsteil 2 in die Hohlräume 20 des Gehäuses 10. Durch den Druck und die Strömung des Fluides 5 werden die Zahnräder 3 wie bei einer Zahnradpumpe angetrieben, sodass diese sich jeweils in den Lagern 4 drehen. Dabei drehen sich in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bei Durchströmung in Richtung der Pfeile 5 das obere Zahnrad 3 entgegen dem Uhrzeigersinn und das untere Zahnrad 3 im Uhrzeigersinn herum, sodass Fluid in den Kammern zwischen den Zähnen 11 und dem Gehäuse 10 von dem ersten Leitungsteil 2 zu dem zweiten Leitungsteil 18 gelangt.
In dem ersten Leitungsteil 2 auftretende Druckschwankungen im Fluid 5 werden durch die Massenträgheit der Zahnräder 3 und die Reibung in den Lagern 4 abgeschwächt. Dadurch werden Druckschwankungen oder -schwingungen, die in einen der Leitungsteile 2, 18 eingebracht werden, gedämpft in den anderen Leitungsteil 2, 18 übertragen. Folglich sind Druckschwingungen des Fluides 5 in dem nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18 geringer als in dem geberzylinderseitigen Leitungsteil 2, wenn diese in den nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18 beispielsweise durch den Nehmerzylinder eingebracht werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Elements 1 mit einem Dämpfer 6. Das in 2 gezeigte hydraulische Element 1 ist aufgebaut wie das in 1 beschriebene hydraulische Element 1. Der Unterschied besteht darin, dass eine Welle des oberen Zahnrads 3 durch eine nicht dargestellte Drehabdichtung aus dem Gehäuse 10 herausgeführt ist und an einen Dämpfer 6 gekoppelt ist. Der Dämpfer 6 besteht aus einer Torsionsfeder 9 und einer Tilgermasse 8. Die Torsionsfeder 9 verbindet die Welle 12 mit der Tilgermasse 8. Torsionsfeder 9 und Tilgermasse 8 bilden so einen Torsionsschwingungstilger.
Wenn die Welle 12 Drehschwingungen ausführt, führt die Tilgermasse 8 ebenfalls Drehschwingungen aus, wobei diese Schwingung gegenüber der Schwingung der Welle 12 verzögert ist, da die Schwingung durch die Torsionsfeder 9 nicht unmittelbar an die Tilgermasse 8 weitergegeben wird. Der Welle 12 wird Schwingungsenergie entzogen, sodass eine Schwingung der Welle 12 gedämpft wird. Dadurch wird eine Schwingung des Fluides 5 zusätzlich gedämpft.
Zusätzlich kann im Ausführungsbeispiel der 2 wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen eine zusätzliche Reibung als Reibungsbremse 7 die Drehbewegung der Drehmasse bremsen. Die Reibungsbremse kann beispielsweise eine ausgewiesene Reibfläche zwischen Drehmasse und Gehäuse oder wie in 2 schematisch angedeutet die Reibung in dem Lager 4 sein.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Elements 1. Das hydraulische Element 1 weist ein Gehäuse 10 auf. Ein nehmerzylinderseitiger Anschluss 16 des Gehäuses 10 ist mit einem nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18 verbunden und ein geberzylinderseitiger Anschluss 17 des Gehäuses 10 ist mit einem geberzylinderseitigen Leitungsteil 2 verbunden. Das Gehäuse 10 ist symmetrisch zu einer gemeinsamen Mittelachse der Leitungsteile 2, 18. Das Gehäuse 10 weist eine Auswölbung auf, in der Leitschaufeln 14, die mit dem Gehäuse 10 verbunden sind, angeordnet sind. In dem Gehäuse 10 sind zwei Lager 4 angeordnet. Die Lager 4 sind in Strömungsrichtung des Fluides 5 vor und hinter den Leitschaufeln 14 in dem Gehäuse 10 angebracht. Die Lager 4 werden von Trägern 19 gehalten, wobei diese nur einen kleinen Teil der Querschnittsfläche des Durchgangsquerschnitts abdecken, sodass diese von dem Fluid des hydraulischen Systems umströmt werden können. In den Lagern 4 ist ein Laufrad 13 als Dämpfungsmasse gelagert. Das Laufrad 13 weist Schaufeln 15 auf, die sich in die Wölbung des Gehäuses 10 in den axialen Bereich zwischen den Leitschaufeln 14 erstrecken. Das hydraulische Element 1 ist so in Form einer Axialturbine ausgeführt.
Fluid 5, das beispielsweise in einer der beiden Durchströmungsrichtungen durch den geberzylinderseitigen Leitungsteil 2 zu dem hydraulischen Element 1 gelangt, fließt durch die stromaufwärts gelegenen Leitschaufeln 14 auf die Schaufeln 15, wobei das Laufrad 13 in Rotation versetzt wird. Dem Fluid 5 wird kinetische Energie entzogen und in Rotationsenergie des Laufrades 13 umgewandelt. Dann fließt das Fluid 5 über die stromabwärts gelegenen Leitschaufeln 14 weiter in den nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18.
Druckschwingungen des Fluids 5 werden durch die Trägheit des Laufrades 13 und die Reibung in den Lagern 4 gedämpft. Selbstverständlich ist auch hier eine Durchströmung des hydraulischen Elementes 1 in der Gegenrichtung möglich, wobei die Wirkung sinngemäß wie zuvor beschrieben ist. Durch die Gestaltung des hydraulischen Elementes 1 als Axialturbine kann durch geeignete Gestaltung der Schaufeln 15 und der Leitschaufeln 14 eine in beide Durchströmungsrichtungen unterschiedliche Dämpfungswirkung erzielt werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Elements 1. Das in 4 dargestellte hydraulische Element 1 umfasst ein Laufrad 21 mit Schaufeln 22, wobei das Laufrad mit Lagern 4 in einem Gehäuse 10 drehbar angeordnet ist. Das Gehäuse 10 weist einen geberzylinderseitigen Anschluss 17 und einen nehmerzylinderseitigen Anschluss 16 auf. Der geberzylinderseitige Anschluss 17 ist mit dem geberzylinderseitigen Leitungsteil 2 und der nehmerzylinderseitige Anschluss 16 ist mit dem nehmerzylinderseitigen Leitungsteil 18 verbunden. Die Anschlüsse 16 und 17 sind in der Zeichenebene der 4 versetzt angeordnet, wobei der geberzylinderseitige Anschluss 17 oberhalb des nehmerzylinderseitigen Anschlusses 16 angeordnet ist. Das hydraulische Element 1 ist hier in Form einer Radialturbine ausgeführt. Die Schaufeln 22 sind gekrümmt ausgebildet. Der geberzylinderseitige Anschluss 17 geht über in eine Anströmöffnung 23 mit einer großen Querschnittsfläche. Der nehmerzylinderseitige Anschluss 16 geht über in eine Anströmöffnung 24 mit einer kleinen Querschnittsfläche. Beide Anströmöffnungen 23, 24 sind koaxial zur Drehachse des Laufrades 21 angeordnet. Bei einer Durchströmung des hydraulischen Elementes 1 von der Geberzylinderseite (dem geberzylinderseitigen Anschluss 17) zur Nehmerzylinderseite (dem nehmerzylinderseitigen Anschluss 16) strömt das Fluid radial von außen nach innen entlang der gekrümmten Schaufeln 22 an dem Laufrad 21 entlang, wobei gleichzeitig eine Strömung in der Darstellung der 4 in die Zeichenebene stattfindet.
Durch die Massenträgheit des Laufrades 21 und der Reibung in den Lagern 4 werden Druckschwingungen des Fluides 5 durch das hydraulische Element 1 gedämpft. Selbstverständlich ist auch hier eine Durchströmung des hydraulischen Elementes 1 in der Gegenrichtung möglich, wobei die Wirkung sinngemäß wie zuvor beschrieben ist.
Durch das hydraulische Element 1 wird eine passive Schwingungsunterdrückung von Druckschwankungen im Hydrauliksystem beispielsweise einer hydraulischen Kupplungsbetätigung erreicht, sodass störende Schwingungen, die durch externe Anregungen erzeugt werden, reduziert werden. Externe Anregungen können beispielsweise durch eine Einscheibentrockenkupplung über den Nehmerzylinder in das hydraulische System eingebracht werden.
Bezugszeichenliste

1: Hydraulisches Element
2: geberzylinderseitiger Leitungsteil
3: Zahnrad
4: Lager
5: Fluid
6: Dämpfer
7: Reibungsbremse
8: Tilgermasse
9: Torsionsfeder
10: Gehäuse
11: Zahn
12: Welle
13: Laufrad
14: Leitschaufel
15: Schaufel
16: nehmerzylinderseitiger Anschluss
17: Auslassöffnung/Anschluss
18: nehmerzylinderseitiger Leitungsteil
19: Träger
20: Hohlraum
21: Laufrad
22: Schaufel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008060584 A1 [0003]
EP 1085249 [0004]
DE 102009036438 A1 [0020]

Claims

Hydraulisches Element (1) zur Reduzierung von Schwingungen in einer Fluidleitung (2, 18), zur Reduzierung von Schwingungen in einem hydraulischen Ausrücksystem einer Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Element (1) mindestens eine drehbar gelagerte Dämpfungsmasse (3, 13, 21) aufweist, die durch einen Volumenstrom durch die Fluidleitung (2, 18) in Rotation versetzt wird.
Hydraulisches Element (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (3, 13, 21) hydrostatisch in den Volumenstrom eingekoppelt ist.
Hydraulisches Element (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (3, 13, 21) hydrodynamisch in den Volumenstrom eingekoppelt ist.
Hydraulisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (13, 21) Teil einer Axial- oder Radialturbine ist.
Hydraulisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (3) Teil eines Hydraulikmotors ist.
Hydraulisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (3, 13, 21) mit einem Torsionsschwingungstilger (6, 8, 9) gekoppelt ist.
Hydraulisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsmasse (3, 13, 21) mit einer Reibungsbremse gekoppelt ist.
Hydraulisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsbremse eine Haftreibung aufweist, die größer ist als deren Gleitreibung, sodass kleine Volumenströme in der Fluidleitung stärker gedämpft werden als große Volumenströme.
Hydraulisches System zur Betätigung einer Fahrzeugkupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, umfassend zumindest einen Geberzylinder, einen Nehmerzylinder und ein hydraulisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche.