-
Die Erfindung betrifft einen hydropneumatischer Speicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen hydraulischen Kreis damit.
-
Bei hydropneumatischen Speichern kann eine zu speicherndes Druckflüssigkeit über einen Hauptanschluss in einen ersten Raum eines Speichergehäuses strömen, der über eine flexible oder verschiebbare Trennwand von einem zweiten Raum des Speichergehäuses getrennt ist. Bei der Befüllung wird die Trennwand in Richtung zu dem zweiten Raum bewegt. Dabei wird ein Gas, das sich im zweiten Raum befindet elastisch komprimiert. Die Kompression erfolgt also in Abhängigkeit des gespeicherten Volumens im ersten Raum. Damit ist der Druck an dem Hauptanschluss, der zur weiteren Befüllung des Speichers – genauer gesagt des ersten Raumes – überwunden werden muss, abhängig vom bereits darin gespeicherten Druckflüssigkeitsvolumen.
-
Als hydropneumatische Speicher sind insbesondere Kolbenspeicher, Membranspeicher und Blasenspeicher bekannt, die sich durch die Ausgestaltung der Trennwand unterscheiden. Ein Kolbenspeicher ist zylindrisch, und seine Trennwand ist ein verschiebbarer Kolben. Membranspeicher sind rundlich und die Trennwand ist eine elastische Membran, die über ihren Außenrand an der Innenwand des Speichergehäuses dicht befestigt ist. Beim Blasenspeicher sind ebenfalls rundlich und ihr Gasraum ist von einer Blase eingeschlossen, die im Gehäuse des Speichers aufgenommen ist.
-
Es ist bekannt derartige Speicher über ein Druckbegrenzungsventil vor kritischer Belastung zu schützen. Dieses kann vorzugsweise im Bereich des Hauptanschlusses des Speichers oder entfernt vom Speicher in einer Leitung angeordnet sein, die in unmittelbarer Druckmittelverbindung zu dem Speicher steht. Das Druckbegrenzungsventil spricht bei einem Druck an, der unterhalb des Berstdrucks des Speichers liegt.
-
In der Druckschrift
DE 1 937 165 ist ein Blasenspeicher offenbart, der eine temperaturabhängige Sicherung hat. Diese hat ein Verschlusselement, das den zweiten Raum beziehungsweise Gasraum verschließt und bei einer Überschreitung einer Temperatur schmilzt, wodurch der Gasraum in die Umgebung entlastet wird.
-
Die
DE 10 2010 011 878 A1 offenbart eine Kolbenspeicher, dessen Gasraum nach dem gleichen Prinzip bei Überschreiten einer kritischen Temperatur entlastet wird.
-
In der Druckschrift
DE 10 2008 061 559 A1 ist ein Membranspeicher offenbart, in dessen Membran ein Druckausgleichelement aufweist. Dieses bricht bei Überschreiten einer Druckdifferenz zwischen dem Gasraum und dem Flüssigkeitsraum, wodurch eine Durchtrittsöffnung ein der Membran freigegeben wird. Weiterhin ist ein zweites Druckausgleichelement offenbart, durch das Flüssigkeit nach außen austreten kann.
-
Nachteilig an derartigen hydropneumatischen Speichern ist, dass ein Austritt von Flüssigkeit aus dem Speicher über das zweite Druckausgleichelement zu Verschmutzungen, zum Beispiel zu Umweltverschmutzung führt. Weiterhin kann die vollkommene Entspannung der Druckflüssigkeit durch das Leck im angeschlossenen hydraulischen System zu dessen Ausfall führen.
-
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen hydropneumatischen Speicher mit Berstschutz zu schaffen, bei dessen Ansprechen eine Verschmutzung und ein Systemausfall vermieden sind.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydropneumatischen Speicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen hydraulischen Kreis damit.
-
Der beanspruchte hydropneumatischer Speicher hat einem Speicherraum für eine Druckflüssigkeit und einen Gasraum, wobei die Räume in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und über eine bewegbare oder flexible oder elastische Trennvorrichtung voneinander getrennt sind. Damit können die Volumenverhältnisse der beiden Räume verändert werden, wenn (zusätzliche) Druckflüssigkeit gespeichert werden soll. Erfindungsgemäß ist ein druckabhängiger zweistufigen Berstschutz vorgesehen, der eine erste irreversible Verbindungsvorrichtung des Gasraumes mit der Umgebung bei einer ersten Ansprechdruckdifferenz zwischen dem Gasraum und der Umgebung und eine zweite irreversible Verbindungsvorrichtung des Speicherraums mit dem Gasraum bei einer zweiten Ansprechdruckdifferenz zwischen dem Speicherraum und Gasraum hat. Die zweite Ansprechdruckdifferenz ist kleiner als die oder gleich der ersten Ansprechdruckdifferenz. Damit spricht die erste Verbindungsvorrichtung bei einem Druck beziehungsweise bei einer Druckdifferenz zwischen dem Gasraum und der Umgebung an, die höher ist als der Druck beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen dem Speicherraum und dem Gasraum beziehungsweise der Umgebung, die für die zweite Verbindungsvorrichtung maßgebend ist. Dabei ist erfindungsgemäß bei Ansprechen der zweiten Verbindungsvorrichtung der Gasraum zum Umgebungsdruck entspannt, da die erste Verbindungsvorrichtung bereits angesprochen hat. Somit ist die zweite Ansprechdruckdifferenz beim Ansprechen der zweiten Verbindungsvorrichtung eine Druckdifferenz zwischen dem Speicherraum und dem Umgebungsdruck. „Ansprechen der Verbindungsvorrichtung“ heißt Freigeben einer Öffnung der Verbindungsvorrichtung. „Irreversibel“ heißt, dass die Verbindungsvorrichtungen einen jeweiligen Durchgang öffnen oder freigeben, wobei eine mechanische Veränderung stattfindet, die nur durch Reparatur oder Austausch wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt werden kann. Damit ist sichergestellt, dass bei einer unzulässig hohen Druckbelastung des Speichers stets zuerst eine Druckentlastung dadurch erfolgt, dass der Gasraum zur Umgebung geöffnet wird. Dadurch kann sich die Trennvorrichtung derart bewegen, dass der Speicher maximales Speichervolumen für die Flüssigkeit bereitstellt und einer Befüllung des Speicherraumes keine Gegenkraft entgegensteht. Dies wird in vielen Fällen ausreichen, und eine Verschmutzung durch auslaufende Druckflüssigkeit wird trotz Ansprechen der ersten Verbindungsvorrichtung verhindert. Nur wenn diese Entlastung und diesen zusätzliche Volumen nicht reichen sollte, öffnet die zweite Verbindungsvorrichtung und ermöglicht eine weitere Druckentlastung dadurch, dass der Speicherraum und damit das angeschlossene hydraulische System zur Umgebung geöffnet wird.
-
Die Beziehung zwischen den beiden Ansprechdruckdifferenzen lässt sich anhand folgenden Beispiels verdeutlichen:
Der hydropneumatische Speicher habe einen Betriebsdruck von 10 bar und einen Prüfdruck von 15 bar. Den Ansprechdruck für den ersten Berstschutz würde man etwas über den Prüfdruck wählen, zum Beispiel bei 18 bar Druckdifferenz zum Umgebungsdruck. Für die zweite Verbindungsvorrichtung ist die höchste Druckdifferenz im Betrieb die der Gasvorfüllung, zum Beispiel 5 bar. Auf diese Belastung sind die Trennvorrichtung und die zweite Verbindungsvorrichtung ausgelegt. sobald beim Befüllen des Speichers die Trennvorrichtung aus ihrer Ausgangslage bei leerem Speicher bewegt wird, ist der Druck im Speicherraum gleich dem Druck im Gasraum. Tritt durch Auslösen des ersten Berstschutzes und den Gasverlust eine Druckdifferenz an der zweiten Verbindungsvorrichtung auf, die über die Druckdifferenz von 5 bar ansteigt. Man kann nun die zweite Verbindungsvorrichtung so auslegen, dass sie bei einem niedrigeren Druck als dem Prüfdruck von 15 bar versagt. Sie sollte nicht erst bei einer höheren Druckdifferenz als der erste Berstschutz versagen, um ein Bersten des Speichergehäuses zu verhindern.
-
Vorzugsweise haben die Verbindungsvorrichtungen eine Sollbruchstelle oder eine Schwachstelle oder ein Verschlussteil mit vorbestimmter begrenzter Bruchfestigkeit.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
-
Vorrichtungstechnisch einfach ist es, wenn die zweite Verbindungsvorrichtung einen Abschnitt der Trennvorrichtung bildet, zum Beispiel eine Schwachstelle in der Trennvorrichtung.
-
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist der Speicher ein Kolbenspeicher, dessen Gehäuse einen Zylinder aufweist, wobei die Trennvorrichtung ein im Zylinder bewegbarer Kolben ist.
-
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Kolbenspeichers hat die erste Verbindungsvorrichtung eine an einem stirnseitigen Deckel des Gehäuses dichtend befestigte Berstscheibe. Somit kann mit minimalem Aufwand die Berstscheibe nach einem Ansprechen der Verbindungsvorrichtung ersetzt werden. Außerdem kann mit der Berstscheibe die Ansprechdruckdifferenz bestimmt werden, in dem Berstscheiben mit verschieden Bruchfestigkeiten zur Verfügung gestellt werden.
-
Dabei wird es bevorzugt, wenn die Berstscheibe in eine konzentrische Durchgangbohrung des Deckels eingespannt oder gegen eine solche Durchgangsbohrung gespannt ist. Die konzentrische Durchgangsbohrung ist im Deckel beziehungsweise im Zylinder mit Deckel leicht zu fertigen.
-
Bei einer vorrichtungstechnisch einfachen Weiterbildung ist die zweite Verbindungsvorrichtung eine Sollbruchstelle des Kolbens.
-
Wenn der Kolben topfförmig ist, also einen Boden und einen kreiszylindrischen Führungsabschnitt hat, wird es bevorzugt, wenn die Sollbruchstelle einstückig und vorzugsweise rotationssymmetrisch im Boden des Kolbens ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Sollbruchstelle ein Bereich des Bodens mit verminderter Dicke.
-
Die zweite Verbindungsvorrichtung kann auch eine an einem Boden des Kolbens dichtend befestigte Berstscheibe sein.
-
Bei einer alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäß abgesicherten Speichers ist dieser ein Membranspeicher, wobei die Trennvorrichtung eine flexible oder elastische Membran ist.
-
Bei einer weiteren Alternative des erfindungsgemäß abgesicherten Speichers ist dieser ein Blasenspeicher, wobei die Trennvorrichtung eine flexible oder elastische Blase ist, die den Gasraum einschließt.
-
Vorzugsweise ist der Speicher ein Niederdruckspeicher. Damit kann der Speicher in einem Niederdruckzweig eines hydraulischen Fahrantriebes verwendet werden, an den besonders hohe Sicherheitsanforderungen gestellt werden.
-
Der erfindungsgemäße hydraulische Kreis hat eine Niederdruckleitung, an die ein vorbeschriebener Speicher angeschlossen ist. Dieser Kreis eignet sich insbesondere für einen Hybrid-Fahrantrieb, der neben dem betroffen hydraulischen Leistungszweig einen mechanischen Leistungszweig hat, wobei die beiden Zweige über eine Leistungsverzweigung betrieben werden können.
-
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben.
-
Es zeigen
-
1 einen Fahrantrieb mit einem hydraulischen Kreis, der einen erfindungsgemäßen hydropneumatischen Niederdruckspeicher aufweist,
-
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Speichers gemäß 1 im Normalbetrieb in einer geschnittenen Darstellung,
-
3 einen Ausschnitt des Speichers mit einer ersten Verbindungsvorrichtung gemäß 2 in einer geschnittenen Darstellung,
-
4 den Speicher gemäß 2 nach Ansprechen der ersten Verbindungsvorrichtung in einer geschnittenen Darstellung,
-
5 den Speicher gemäß 2 bei Ansprechen der zweiten Verbindungsvorrichtung in einer geschnittenen Darstellung und
-
6 den Speicher gemäß 2 nach Ansprechen der zweiten Verbindungsvorrichtung in einer geschnittenen Darstellung.
-
1 zeigt einen Fahrantrieb, bei dem neben einem herkömmlichen mechanischen Leistungszweig auch ein hydraulischer Leistungszweig vorhanden ist. Der Fahrantrieb hat einen Verbrennungsmotor 1, der ein Planetengetriebe 2 antreibt. Das Planetengetriebe 2 hat zwei mechanische Abtriebe, wobei der erste Abtrieb eine Kardanwelle 3 hat und zum Beispiel an ein nicht gezeigtes Sonnenrad des Planetengetriebes 2 gekoppelt ist. Der zweite Abtrieb hat ein Zahnrad 4, das zum Beispiel an einen nicht gezeigten Steg des Planetengetriebes 2 gekoppelt ist. Die Kardanwelle 3 stellt den mechanischen Leistungszweig dar und treibt ein Differenzialgetriebe 6 an, über das in herkömmlicher Weise die beiden Räder 8 angetrieben werden. Parallel zum mechanischen Leistungszweig ist ein hydraulischer Leistungszweig vorgesehen, der einen hydraulischen Kreis mit einer Primärhydromaschine 10 und eine Sekundärhydromaschine 12 aufweist. Im Normalbetrieb wirkt die Primärhydromaschine 10 als Pumpe, während die Sekundärhydromaschine 12 als Motor wirkt. Die Primärhydromaschine 10 wird über ein mit dem Zahnrad 4 kämmendes weiteres Zahnrad 14 angetrieben. Die Sekundärhydromaschine 12 treibt über zwei Zahnräder 16, 18 die Kardanwelle 3 und damit die Räder 8 an.
-
Der hydraulische Kreis hat eine Hochdruckleitung 20, in der im Normalbetrieb Druckmittel von der Primärhydromaschine 10 zur Sekundärhydromaschine 12 strömt. Weiterhin hat der Kreis eine Niederdruckleitung 22, durch die im Normalbetrieb das Druckmittel von der Sekundärhydromaschine 12 zur Primärhydromaschine 10 zurückströmt. In der Hochdruckleitung 20 benachbart zur Primärhydromaschine 10 und benachbart zur Sekundärhydromaschine 12 ist jeweils ein Absperrventil 24 angeordnet. Zwischen den beiden Absperrventilen 24 ist über ein weiteres Absperrventil 26 ein Hochdruckspeicher 28 an die Hockdruckleitung 20 angeschlossen. An die Niederdruckleitung 22 ist ein Niederdruckspeicher 30 angeschlossen, der einen erfindungsgemäßen zweistufigen Berstschutz aufweist.
-
2 zeigt den als Kolbenspeicher ausgebildeten Niederdruckspeicher 30, dessen Gehäuse einen Zylinder 32 und zwei stirnseitig dichtend eingeschraubte Deckel 34, 36 hat. An dem ersten Deckel 34 ist ein Anschluss 38 für Druckflüssigkeit angeordnet, der mit der Niederdruckleitung 22 verbunden ist, während an dem zweiten Deckel 36 eine erste Verbindungsvorrichtung des Berstschutzes vorgesehen ist, die mit Bezug zur 3 genauer erläutert wird.
-
Weiterhin zeigt 2 einen im Zylinder 32 geführten topfförmigen Kolben 40, der einen Speicherraum 42 von einem Gasraum 44 trennt. Genauer gesagt ist der Speicherraum 42 von dem anschlussseitigen ersten Deckel 34 und von einem Boden 46 des Kolbens 40 begrenzt, während der Gasraum 44 auf der Seite eines kreiszylindrischen Führungsabschnitts 48 des Kolbens 40 angeordnet ist und von dem zweiten Deckel 36 begrenzt wird. Dabei ist konzentrisch im zweiten Deckel 36 eine Durchgangsbohrung 50 vorgesehen, die im Normalbetrieb von einer Berstscheibe 52 verschlossen ist.
-
Im Normalbetrieb des Niederdruckspeichers 30 ist im Gasraum 44 kompressibles Gas eingeschlossen. Zur Befüllung des Niederdruckspeichers strömt Druckflüssigkeit aus der Niederdruckleitung 22 (vergleiche 1) durch den Anschluss 38 in den Speicherraum 42, wobei sich der Kolben 40 gemäß 2 nach rechts in Richtung zum Gasraum 44 bewegt. Dabei wird das Gas komprimiert, so dass der in den Speicherraum 42 einströmenden Flüssigkeit ein elastischer Widerstand entgegengesetzt ist. Im speicherraum ist dabei der Druck genauso groß wie im Gasraum.
-
3 zeigt den zweiten Deckel 36, der über ein Gewinde 54 in den Zylinder 32 eingeschraubt ist. Die Berstscheibe 52 liegt von außen auf der Durchgangsbohrung 50 und wird über einen mit dem Deckel 36 verschraubten Flansch 56 gegen den Rand der Durchgangsbohrung 50 gepresst. Dadurch ist im Normalbetrieb der Gasraum 44 verschlossen.
-
Bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in der Niederdruckleitung 22 wird dieser genauso wie vorher ein darunterliegender Druck über den Kolben 40 in den Gasraum 44 übertragen, der damit die Berstscheibe 52 derart belastet, dass diese bricht. Damit kann das Gas durch die Durchgangsbohrung 50 und durch eine weitere Durchgangsbohrung 58 des Flansches 56 entweichen.
-
4 zeigt den Speicher 30 gemäß den 2 und 3 nach dem Ansprechen der ersten Verbindungsvorrichtung, also nach dem Bersten der Berstscheibe 52. Der Druck im Gasraum entspricht dann dem Umgebungsdruck. Der Kolben 40 fährt in seine in 4 dargestellte Anschlagposition, wenn nicht vorher durch die Vergrößerung des Speicherraums 42 der Druck dort auf den Umgebungsdruck abgefallen ist und auf diesem Druck verharrt. In der Anschlagposition stützt sich der Führungsabschnitt 48 am zweiten Deckel 36 ab. Damit ist der Speicherraum 42 maximiert, während der Gasraum 44 minimiert ist. Durch das beschriebene Ansprechen des ersten Berstschutzes wird die Niederdruckleitung 22 signifikant entlastet. Strömt, nachdem der Kolben 40 die Anschlagposition erreicht hat, weiterhin Öl und /oder expandierendes Gas aus dem Hochdruckspeicher in den Speicherraum 42, so steigt der Druck dort bis zum Ansprechdruck des zweiten Berstschutzes an.
-
Die 5 und 6 zeigen das Ansprechen des zweiten Berstschutzes. Dieser ist im Boden 46 des Kolbens 40 durch eine Sollbruchstelle 60 gebildet. Diese besteht aus einem einstückig im Boden 46 ausgeformten Bereich mit verminderter Dicke. Dieser Bereich ist rotationssymmetrisch zum Kolben 40.
-
5 zeigt den Moment, in dem der durch die Sollbruchstelle 60 gebildete zweite Berstschutz anspricht, während 6 den Zustand des Niederdruckspeichers 30 nach dem Ansprechen des zweiten Berstschutzes zeigt. Dabei hat der Kolbenboden 46 gewissermaßen ein „aufgerissenes Loch“, durch das die Druckflüssigkeit in den Gasraum 44 und weiter durch die Durchgangsbohrung 50 in die Umgebung entweichen kann. Damit ist in diesem Zustand ein unbegrenztes Anströmen der Druckflüssigkeit aus der Niederdruckleistung 22 (vergleiche 1) in die Umgebung möglich.
-
Offenbart ist ein hydropneumatischer Speicher, der einen Speicherraum für eine Druckflüssigkeit und einen Gasraum hat. Die Räume sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und über eine bewegbare oder flexible oder elastische Trennvorrichtung voneinander getrennt. Der Speicher hat einen druckabhängigen zweistufigen Berstschutz. Dieser hat eine erste zwischen dem Gasraum und der Umgebung angeordnete irreversible Verbindungsvorrichtung mit einer ersten Ansprechdruckdifferenz und eine zweite irreversible Verbindungsvorrichtung des Speicherraums mit dem Gasraum mit einer zweiten Ansprechdruckdifferenz. Die zweite Ansprechdruckdifferenz ist kleiner als die oder gleich der ersten Ansprechdruckdifferenz. Damit spricht die erste Verbindungsvorrichtung bei einem höheren Grenzdruck beziehungsweise bei einer höheren Druckdifferenz an, als die zweite Verbindungsvorrichtung. Erfindungsgemäß ist beim Ansprechen der zweiten Verbindungsvorrichtung der Gasraum zum Umgebungsdruck entspannt, da die erste Verbindungsvorrichtung bereits angesprochen hat. Denn vor dem Ansprechen der ersten Verbindungsvorrichtung stehen an der zweiten Verbindungsvorrichtung beidseits gleiche Drücke an. Es ist sichergestellt, dass bei einer unzulässig hohen Druckbelastung des Speichers stets zuerst eine Druckentlastung dadurch erfolgt, dass der Gasraum zur Umgebung geöffnet wird. Dadurch kann sich die Trennvorrichtung derart bewegen, dass der Speicher maximales Speichervolumen für die Flüssigkeit bereitstellt und einer Befüllung des Speicherraumes keine Gegenkraft entgegensteht. Nur wenn diese Entlastung und diesen zusätzliche Volumen nicht reichen sollte, öffnet die zweite Verbindungsvorrichtung und ermöglicht eine weitere Druckentlastung. Dabei wird der Speicherraum und damit das angeschlossene hydraulische System zur Umgebung geöffnet.
-
Die Erfindung ist insbesondere auch in sogenannten Hybridfahrzeugen, zum Beispiel in einem Personenkraftwagen, mit einem Verbrennungsmotor und einem hydraulischen Antriebsstrang inklusive Hydropumpe, Hydrospeichern und Hydromotor zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Achse einsetzbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 1937165 [0005]
- DE 102010011878 A1 [0006]
- DE 102008061559 A1 [0007]
