DE102014222741A1

DE102014222741A1 - Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung und korrespondierende Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden

Info

Publication number: DE102014222741A1
Application number: DE102014222741.0A
Authority: DE
Inventors: Stephan Steingass; Oliver Gaertner; Vaclav Kocourek; Oliver Hennig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-12
Also published as: US10415553B2; CN105587659A; CN105587659B; JP6814534B2; JP2016089827A; US20180372077A1; US10247176B2; US20160131121A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Drosselung einer Fluidströmung mit einem topfförmigen Grundkörper (14), in dessen Boden eine erste Durchgangsöffnung (14.1) angeordnet ist, und einem axial gegen die Federkraft eines Federelements (18) beweglich im topfförmigen Grundkörper (14) geführten Schließkörper (16), welcher eine zweite Durchgangsöffnung (16.1) aufweist, welche eine statische Drosselstelle (11) mit einem vorgegebenen festen Öffnungsquerschnitt ausbildet, wobei der Schließkörper (16) in Kombination mit dem Federelement (18) und der ersten Durchgangsöffnung (14.1) eine dynamische Drosselstelle (12) mit einem dynamischen Öffnungsquerschnitt ausbildet, welcher in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz variabel einstellbar ist, und eine korrespondierende Kolbenpumpe (1) mit einer erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung (10). Erfindungsgemäß ist eine Verzögerungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, welche die Schließbewegung des Schließkörpers (16) gezielt verzögert.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden mit einer solchen Drosselvorrichtung.
Kolbenpumpen zur Förderung von Druckmitteln innerhalb hydraulischer Bremssysteme, welche über eine ABS- und/oder ESP-Funktionalität (ABS: Antiblockiersystem, ESP: Elektronisches Stabilitätsprogramm) verfügen, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise werden in Fahrzeugbremsanlagen häufig Radialkolbenpumpen mit mehreren Pumpelementen zur Förderung von Druckmitteln verwendet, bei welchen wenigstens ein Kolben mittels eines Exzenters hin und her bewegt werden kann. Typischerweise bestehen diese sogenannten Pumpenelemente aus einem Kolben, einer häufig als Zylinder ausgebildeten Kolbenlauffläche, Einlass- und Auslassventilen sowie Dichtelementen. Die Ventile dienen der Fluidsteuerung bei der Pumpbewegung des Kolbens. Hierbei dient das Einlassventil dazu, das Fluid während der Verdichtungsphase nicht in den Ansaugraum zurückströmen zu lassen, das Auslassventil verhindert die Rückströmung des Fluids von der Druckseite in den Pumpeninnenraum. Zudem ist nach dem Auslassventil der Kolbenpumpe eine Drosselvorrichtung mit einer statischen und einer dynamischen Drosselstelle vorgesehen, welche sich je nach Durchflussmenge bzw. der daraus resultierenden Druckunterschieden öffnet und schließt. Durch die statische Drosselstelle ergeben sich Vorteile bezüglich der NVH Performance (NVH: Noise, Vibration, Harshness, deutsch: Geräusch, Vibration, Rauheit) der Kolbenpumpe, aber auch Nachteile bezüglich des maximal möglichen Volumenstroms, da nach jedem Pumpenhub die dynamische Drosselstelle wieder schließt und das Volumen durch die integrierte statische Drosselstelle geströmt werden muss. Dadurch können Verluste bei der Druckaufbauperformance entstehen.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 079 876 A1 wird beispielsweise eine Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden in einer hydraulischen Fahrzeugbremsanlage beschrieben. Die beschriebene Kolbenpumpe umfasst einen Zylinder, einen im Zylinder beweglich gelagerten Kolben und einen zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil angeordneten Druckraum. Der Druckraum ist von einem Deckel abgeschlossen. In der Fluidströmung ist nach dem Auslassventil ein Drosselelement zum Drosseln der Fluidströmung vorgesehen, welches als federelastische Scheibe ausgeführt ist. Die federelastische Scheibe ist in den Deckel eingebracht, wobei im Deckel Zentriermittel vorhanden sind, welche eine Vorzentrierung des Drosselelements im Deckel bewirken. Die beschriebene Kolbenpumpe umfasst eine erste Drosselstelle mit einem unabhängig vom Differenzdruck freigegebenen Durchlass, welcher einen definierten konstanten Strömungsquerschnitt aufweist, und eine zweite Drosselstelle mit einem in Abhängigkeit vom Differenzdruck freigegebenen Durchlass, welcher einen vom Differenzdruck abhängigen dynamischen Strömungsquerschnitt aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die maximale Förderleistung bei hohen Motorgeschwindigkeiten bei unveränderter NVH Performance bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten kostengünstig erhöht werden kann.
Der Kern der Erfindung besteht in der Integration einer gezielten Trägheit im Schließkörper. Dadurch kann das Schließverhalten der dynamischen Drosselstelle verzögert werden. Durch das verzögerte Schließverhalten der dynamischen Drosselstelle kommt es nach wenigen Pumpenhüben zu einer Abschaltung der statischen Drossel. Die integrierte Trägheit des Ventils kann über eine gezielt integrierte‚ richtungsabhängige Reibung oder über eine Elastomerfeder erreicht werden. Die integrierte Trägheit verhindert ein schnelles Schließen der dynamischen Drosselstelle. Es stellt sich ein hysteresebehaftetes Schließverhalten ein und das Schließen der dynamischen Drosselstelle erfolgt zeitversetzt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung mit einem topfförmigen Grundkörper, in dessen Boden eine erste Durchgangsöffnung angeordnet ist, und einem axial gegen die Federkraft eines Federelements beweglich im topfförmigen Grundkörper geführten Schließkörper zur Verfügung, welcher eine zweite Durchgangsöffnung aufweist, welche eine statische Drosselstelle mit einem vorgegebenen festen Öffnungsquerschnitt ausbildet. Der Schließkörper bildet in Kombination mit dem Federelement und der ersten Durchgangsöffnung eine dynamische Drosselstelle mit einem dynamischen Öffnungsquerschnitt aus, welcher in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz variabel einstellbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Verzögerungsvorrichtung vorgesehen, welche die Schließbewegung des Schließkörpers gezielt verzögert.
Zudem wird eine Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden vorgeschlagen, welche einen Kolben, einen Pumpenzylinder und einen zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil angeordneten Druckraum umfasst. In der Fluidströmung sind nach dem Auslassventil Mittel zum Drosseln der Fluidströmung vorgesehen, welche als erfindungsgemäße als Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung ausgeführt sind.
Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung und der im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Verzögerungsvorrichtung ein Reibelement mit einer Lippe aufweisen kann, welches zwischen dem Schließkörper und einer Innenwand des topfförmigen Grundkörpers angeordnet werden und eine richtungsabhängige Reibung erzeugen kann. Das Reibelement kann beispielsweise so in einer Aufnahme im Schließkörper angeordnet oder an den Schließkörper angeformt werden, dass die Lippe des Reibelements an der Innenwand des topfförmigen Grundkörpers geführt werden kann. Bei der Ausführung des Schließkörpers als Kunststoffspritzgussteil, kann das richtungsabhängige Reibelement in vorteilhafter Weise sogar kostenneutral direkt im Spritzgussteil integriert werden. Zudem kann das Reibelement in Öffnungsrichtung des Schließkörpers eine niedrigeren Reibwert und in Schließrichtung des Schließkörpers einen höheren Reibwert aufweisen.
In alternativer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Verzögerungsvorrichtung ein als Elastomerfeder ausgeführtes Federelement umfassen. Die Verzögerung der Schließbewegung des Schließkörpers kann bei dieser Ausführungsform einfach durch eine geeignete Materialauswahl und/oder Geometrieauswahl für die Elastomerfeder vorgegeben werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe kann die Verzögerungsvorrichtung so ausgelegt werden, dass in einer ersten Betriebsart der Kolbenpumpe die statische Drosselstelle nach einer vorgegebenen Anzahl von Pumpenhüben ausgeschaltet und durch einen von der dynamischen Drosselstelle ausgebildeten Bypass überbrückt werden kann. Zudem kann die Verzögerungsvorrichtung so ausgelegt werden, dass in einer zweiten Betriebsart die statische Drosselstelle eingeschaltet werden und eine druckunabhängige Drosselung der Fluidströmung bewirken kann. Die Kolbenpumpe weist vorzugsweise in der ersten Betriebsart eine höhere Förderleistung und in der zweiten Betriebsart eine niedrigere Förderleistung auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung.
2 zeigt eine schematische Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden aus 1.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe zur Förderung von Fluiden mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung.
4 zeigt eine Kraft-Weg-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung aus 1 oder 3.
5 zeigt eine Durchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung aus 1 oder 3 bei einem ersten Hub der korrespondierenden Kolbenpumpe
6 zeigt eine Durchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung aus 1 oder 3 bei einem zweiten Hub der korrespondierenden Kolbenpumpe.
7 zeigt eine Durchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drosselung einer Fluidströmung aus 1 oder 3 ab dem dritten Hub der korrespondierenden Kolbenpumpe.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, 10A zur Drosselung einer Fluidströmung einen topfförmigen Grundkörper 14, in dessen Boden eine erste Durchgangsöffnung 14.1 angeordnet ist, und einen axial gegen die Federkraft eines Federelements 18, 18A beweglich im topfförmigen Grundkörper 14 geführten Schließkörper 16, 16A, welcher eine zweite Durchgangsöffnung 16.1 aufweist, welche eine statische Drosselstelle 11 mit einem vorgegebenen festen Öffnungsquerschnitt ausbildet. Hierbei bildet der Schließkörper 16, 16A in Kombination mit dem Federelement 18, 18A und der ersten Durchgangsöffnung 14.1 eine dynamische Drosselstelle 12, 12A mit einem dynamischen Öffnungsquerschnitt aus, welcher in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz variabel einstellbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Verzögerungsvorrichtung 20, 20A vorgesehen, welche die Schließbewegung des Schließkörpers 16, 16A gezielt verzögert.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung 10, 10A einer Fluidströmung werden in den dargestellten Ausführungsbeispielen in einer Kolbenpumpe 1, 1A zur Förderung von Fluiden eingesetzt, welche einen Kolben, einen Pumpenzylinder 5 und einen zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil angeordneten Druckraum umfasst. Hierbei ist die Drosselvorrichtung 10, 10A in der Fluidströmung nach dem Auslassventil der Kolbenpumpe 1, 1A angeordnet. Der Pumpenzylinder 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Aufnahmebohrung eines Fluidblocks 3 mit entsprechenden Fluidkanälen 3.1, 3.2 eingesetzt. Die Verzögerungsvorrichtung 20, 20A der Drosselvorrichtung 10, 10A ist so ausgelegt, dass in einer ersten Betriebsart der Kolbenpumpe 1, 1A, welche durch eine höhere Förderleistung und hohe Motorgeschwindigkeiten gekennzeichnet ist, die statische Drosselstelle 11 nach einer vorgegebenen Anzahl von Pumpenhüben ausgeschaltet und durch einen von der dynamischen Drosselstelle 12, 12A ausgebildeten Bypass überbrückt ist. Zudem ist die Verzögerungsvorrichtung 20, 20A so ausgelegt, dass in einer zweiten Betriebsart der Kolbenpumpe 1, 1A, welche durch eine niedrigere Förderleistung und niedrige Motorgeschwindigkeiten gekennzeichnet ist, die statische Drosselstelle 11 eingeschaltet ist und eine druckunabhängige Drosselung der Fluidströmung bewirkt.
Um eine möglichst hohe Förderleistung erreichen zu können, wird die anfangs statische Drosselstelle 11 bei jedem Pumpenhub möglichst „ausgeschaltet". Für eine gute NVH Performance ist aber genau diese statische Drosselstelle 11 sehr wichtig, um bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten, bei denen geräuschkritische Manöver im Regelfall durchgeführt werden, die Fluidströmung zu drosseln. Bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten wirkt die erfindungsgemäß integrierte Trägheit beim Schließverhalten der Drosselvorrichtung 10, 10A nicht. Die Pumpenhübe sind bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten zu weit auseinander und die dynamische Drosselstelle 12 kann trotz der integrierten Trägheit schließen. Bei hohen Motorgeschwindigkeiten, wenn eine hohe Förderleistung erforderlich ist, kann die dynamische Drosselstelle 12 nicht mehr schließen, da die integrierte Trägheit ist zu hoch und die dynamische Drosselstelle 12 in der kurzen Zeit nicht mehr schließen kann. Dadurch kommt es zu einem direkten Bypass und die statische Drosselstelle 11 wird „abgeschaltet".
Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, weist die Verzögerungsvorrichtung 20 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung 10 ein Reibelement 22 mit einer Lippe 22.1 auf, welches zwischen dem Schließkörper 16 und einer Innenwand 14.2 des topfförmigen Grundkörpers 14 angeordnet ist und eine richtungsabhängige Reibung erzeugt. Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist das Reibelement 22 so in einer als umlaufende Nut ausgeführte Aufnahme 24 im Schließkörper 16 angeordnet, dass die Lippe 22.1 des Reibelements 22 an der Innenwand 14.2 des topfförmigen Grundkörpers 14 geführt ist. Durch die ausgebildete Lippe 22.1 weist das Reibelement 22 in Öffnungsrichtung des Schließkörpers 16 einen niedrigeren Reibwert als in Schließrichtung des Schließkörpers 16 auf. Somit weist das Reibelement 22 in Schließrichtung einen höheren Reibwert als in Öffnungsrichtung auf. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schließkörper 16 als Kunststoffspritzteil ausgeführt, an welches das Reibelement 22 direkt angeformt ist.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Verzögerungsvorrichtung 20A im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung 10A ein als Elastomerfeder 22A ausgeführtes Federelement 18A. Die Verzögerung der Schließbewegung des Schließkörpers 16A kann einfach durch eine geeignete Materialauswahl und/oder Geometrieauswahl für die Elastomerfeder 22A vorgegeben werden.
Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, bewirken das im ersten Ausführungsbeispiel integrierte Reibelement 22 bzw. die im zweiten Ausführungsbeispiel eingesetzte Elastomerfeder 22 die dargestellte Hysterese der Kraft-Weg-Kennlinie der erfindungsgemäßen Drosselvorrichtung 10, 10A.
Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, weist die dargestellte einen ersten Pumpenhub bei hoher Förderleistung repräsentierende erste Durchfluss-Differenzdruck-Kennlinie H1 bei niedrigen Druckdifferenzen einen deutlichen statischen Anteil auf. Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, weist die dargestellte einen zweiten Pumpenhub bei hoher Förderleistung repräsentierende zweite Durchfluss-Differenzdruck-Kennlinie H2 bei niedrigen Druckdifferenzen einen kleineren statischen Anteil auf, welcher bei der in 7 dargestellten dritten Durchfluss-Differenzdruck-Kennlinie H3, einen dritten Pumpenhub bei hoher Förderleistung repräsentiert, nahezu vollständig verschwunden ist. Der Verlauf der Durchfluss-Differenzdruck-Kennlinien für nachfolgende Pumpenhübe entspricht dem Verlauf der dargestellten dritten Durchfluss-Differenzdruck-Kennlinie H3.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011079876 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (10, 10A) zur Drosselung einer Fluidströmung mit einem topfförmigen Grundkörper (14), in dessen Boden eine erste Durchgangsöffnung (14.1) angeordnet ist, und einem axial gegen die Federkraft eines Federelements (18, 18A) beweglich im topfförmigen Grundkörper (14) geführten Schließkörper (16, 16A), welcher eine zweite Durchgangsöffnung (16.1) aufweist, welche eine statische Drosselstelle (11) mit einem vorgegebenen festen Öffnungsquerschnitt ausbildet, wobei der Schließkörper (16, 16A) in Kombination mit dem Federelement (18, 18A) und der ersten Durchgangsöffnung (14.1) eine dynamische Drosselstelle (12, 12A) mit einem dynamischen Öffnungsquerschnitt ausbildet, welcher in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerungsvorrichtung (20, 20A) vorgesehen ist, welche die Schließbewegung des Schließkörpers (16, 16A) gezielt verzögert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsvorrichtung (20) ein Reibelement (22) mit einer Lippe (22.1) aufweist, welches zwischen dem Schließkörper (16) und einer Innenwand (14.2) des topfförmigen Grundkörpers (14) angeordnet ist und eine richtungsabhängige Reibung erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (22) so in einer Aufnahme (24) im Schließkörper (16) angeordnet oder an den Schließkörper (16) angeformt ist, dass die Lippe (22.1) des Reibelements (22) an der Innenwand (14.2) des topfförmigen Grundkörpers (14) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement (22) in Öffnungsrichtung des Schließkörpers (16) eine niedrigeren Reibwert und in Schließrichtung des Schließkörpers (16) einen höheren Reibwert aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsvorrichtung (20A) ein als Elastomerfeder (22A) ausgeführtes Federelement (18A) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung der Schließbewegung des Schließkörpers (16A) durch eine Materialauswahl und/oder Geometrieauswahl für die Elastomerfeder (22A) vorgebbar ist.
Kolbenpumpe (1, 1A) zur Förderung von Fluiden, welche einen Kolben, einen Pumpenzylinder (5) und einen zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil angeordneten Druckraum umfasst, wobei in der Fluidströmung nach dem Auslassventil Mittel (1) zum Drosseln der Fluidströmung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselmittel als Vorrichtung (1) zur Drosselung einer Fluidströmung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsvorrichtung (20, 20A) so ausgelegt ist, dass in einer ersten Betriebsart der Kolbenpumpe (1, 1A) die statische Drosselstelle (11) nach einer vorgegebenen Anzahl von Pumpenhüben ausgeschaltet und durch einen von der dynamischen Drosselstelle (12, 12A) ausgebildeten Bypass überbrückt ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsvorrichtung (20, 20A) so ausgelegt ist, dass in einer zweiten Betriebsart die statische Drosselstelle (11) eingeschaltet ist und eine druckunabhängige Drosselung der Fluidströmung bewirkt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpe (1, 1A) in der ersten Betriebsart eine höhere Förderleistung und in der zweiten Betriebsart eine niedrigere Förderleistung aufweist.