DE102019124971A1

DE102019124971A1 - Gaskolbenspeicher

Info

Publication number: DE102019124971A1
Application number: DE102019124971.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Meixner; Roman Rausch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gaskolbenspeicher mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Hydraulikraum (7) mit einer Hydraulikleitung (21) verbindbar ist, wobei auf den Hydraulikraum (7) ein mit einer Vorspannkraft (FV) vorgespannter Druckkolben (5) einwirkt, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung (21) mit einem Speicherdruck (pS) zu beaufschlagen, wobei die Vorspannkraft (FV) durch einen Gasdruck (pGas) in einem Gasraum (9) erzielt ist, der über den Druckkolben (5) vom Hydraulikraum (7) abgetrennt ist. Erfindungsgemäß ist dem Gasraum (9) ein insbesondere elektrischer Zuheizer (6) zugeordnet. Bei Aktivierung des Zuheizers (6) ist der Gasdruck (pGas) im Gasraum (9) steigerbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaskolbenspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein solcher Gaskolbenspeicher kann beispielhaft in einem Hydrauliksystem eines Automatikgetriebes eingesetzt werden. In diesem Fall können die Kupplungen und/oder Aktuatoren des Automatikgetriebes mit einem Speicherdruck des Gaskolbenspeichers angesteuert werden. Der Speicherdruck kann in einer Größenordnung von zum Beispiel 30bar liegen. Ein derartiges Hydrauliksystem ist beispielhaft aus der DE 10 2014 003 083 A1 bekannt.
Ein gattungsgemäßer Gaskolbenspeicher ist als eine Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet, deren Hydraulikraum mit einer Hydraulikleitung verbindbar ist. Auf den Hydraulikraum wirkt ein mit einer Vorspannkraft vorgespannter Druckkolben ein, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung mit einem Speicherdruck zu beaufschlagen. Die Vorspannkraft wird durch einen Gasdruck in einem Gasraum erzielt, der über den Druckkolben vom Hydraulikraum abgetrennt ist.
Der Hydraulikraum des zum Beispiel im Fahrzeug-Hydrauliksystem verbauten Gaskolbenspeichers kann in einem Ladevorgang mit Hilfe einer Ladepumpe des Hydrauliksystems mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt werden, und zwar unter Aufbau der Vorspannkraft. Während des Fahrzeugbetriebs erfolgt der Entladevorgang, bei dem der Hydraulikraum des Gaskolbenspeichers unter Abbau der Vorspannkraft entleert wird.
Der Gasdruck in dem mit zum Beispiel Stickstoff vorgespannten Gaskolbenspeichers ist temperaturabhängig. Bei Einsatz in Bereichen mit starken Temperaturschwankungen (Getriebe) kann dies zu Nachteilen führen. Von daher fällt die Gasvorspannung bzw. der Gasvorspanndruck mit sinkender - Gaskolbenspeicher-Betriebstemperatur. Zum Ausgleich der fehlenden Vorspannung muss der Gaskolbenspeicher in einem Ladevorgang mit Füllöl (passives Öl) befüllt werden. Dies benötigt Füll-Zeit und zögert die Einsatzbereitschaft des Gaskolbenspeichers hinaus. Der Stromverbrauch, bedingt durch die lange Pumpenlaufzeit zur Befüllung des Speichers, steigt ebenfalls. Auch das effektiv nutzbare Ölvolumen eines Gaskolbenspeichers fällt aufgrund dieser Tatsachen mit der Temperatur. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad des Gaskolbenspeichers bei niedrigen Temperaturen sehr schlecht ist.
Aus der DE 44 21 773 A1 und aus der DE 10 2005 004 982 B4 ist eine Gasfeder bekannt. Aus der EP 2 052 889 B1 ist eine hydropneumatische Feder-Dämpfungsvorrichtung bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gaskolbenspeicher bereitzustellen, dessen Betriebsfähigkeit im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist dem Gasraum ein insbesondere elektrischer Zuheizer zugeordnet. Bei Aktivierung des Zuheizers kann der Gasdruck im Gasraum gesteigert werden. Beispielhaft kann der Zuheizer in Signalverbindung mit einem elektronischen Steuergerät sein. Bei Vorliegen einer zu geringen Gaskolbenspeicher-Betriebstemperatur und/oder bei Vorliegen eines zu geringen Gasdruckes bzw. eines zu geringen Speicherdruckes kann das Steuergerät den Zuheizer aktivieren.
Bevorzugt kann der elektrischen Zuheizers im Gasraum zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit integriert werden. Die Gastemperatur bzw. der Gasvorspanndruck kann durch Zuheizen angehoben werden. Damit können die oben beschriebenen Nachteile verhindert werden. Insbesondere durch eine doppelwandige Leichtbaustruktur bietet sich die Anordnung der Zuheizers in einem Ringspalt besonders gut an. Das Gas kann direkt beheizt werden, ohne den Kolben in seiner Auf- und Abbewegung zu behindern. In einem herkömmlichen Gaskolbenspeicher ist das deutlich komplizierter.
Durch ein elektrisches Zuheizen kann die Gastemperatur und damit der Gasdruck direkt beeinflusst werden. Dadurch können die temperaturbedingten Nachteile eines herkömmlichen Gaskolbenspeichers bei niedrigen Einsatztemperaturen unter Umständen vollständig kompensiert werden. Füllölvolumen und Speicherfüllzeit reduzieren sich. ATF-Pumpenlaufzeit und Speicherladefrequenz reduziert sich ebenfalls. Das effektive Nutzölvolumen steigt.
Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung im Einzelnen hervorgehoben: So kann der Zuheizer innerhalb des Gasraums oder innerhalb eines damit strömungstechnisch verbundenen Ringspalts angeordnet sein. Der Gaskolbenspeicher kann einen Zylinderabschnitt aufweist, der radial innen eine Druckkolben-Lauffläche bildet. Der Zuheizer kann radial außerhalb des Zylinderabschnitts angeordnet sein.
In einer technischen Umsetzung kann der Zuheizer als eine Heizspirale realisiert sein. Deren die Wicklungen können den oben erwähnten Zylinderabschnitt umziehen.
Die Erfindung kann besonders bevorzugt bei einem doppelwandigen Gaskolbenspeicher angewendet werden, der ein, insbesondere den Zylinderabschnitt bildendes Innenrohr aufweist, in dem der Druckkolben axial geführt ist, und ein Außenrohr aufweist, das das Innenrohr unter Bildung eines Ringspalts umzieht. Der Zuheizer kann bauraumgünstig in dem Ringspalt zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordnet sein. Im doppelwandigen Gaskolbenspeicher bildet das Innenrohr in erster Linie die KolbenLauffläche für den Druckkolben. Das Außenrohr wirkt dagegen funktionell unabhängig vom Innenrohr schwerpunktmäßig als lasttragende Struktur.
In einer technischen Umsetzung kann der Druckkolben das Rohrinnere des Innenrohrs in den Hydraulikraum und den Gasraum unterteilen. Der Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr ist flüssigkeits- und druckdicht vom Hydraulikraum abgetrennt. Demgegenüber ist der Ringspalt strömungstechnisch mit dem Gasraum in Verbindung. Beispielhaft kann zumindest ein Strömungsdurchlass bereitgestellt sein, mit dem der im Innenrohr gebildete Gasraum mit dem Ringspalt strömungstechnisch verbunden ist.
In einer Weiterbildung kann der Hydraulikraum des Innenrohrs in der Axialrichtung durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden des Gaskolbenspeichers begrenzt sein. In dem hydraulikseitigen Zylinderboden ist die Mündung (Ölzulauf) der Hydraulikleitung ausgebildet. Demgegenüber kann der im Innenrohr befindliche Gasraum in der Axialrichtung durch einen gasseitigen Zylinderboden des Gaskolbenspeichers begrenzt sein. Der gasseitige Zylinderboden und der hydraulikseitige Zylinderboden sind an den gegenüberliegenden Gaskolbenspeicher-Stirnseiten angeordnet. Beide Zylinderböden (oder zumindest einer davon) können als mechanische Kolben-Anschläge für den Druckkolben wirken. Zudem können die beiden Zylinderböden zusammen mit dem Außenrohr ein äußeres Druckkolbenspeicher-Gehäuse bilden, in dem das Außenrohr materialeinheitlich und/oder einstückig in die beiden axial gegenüberliegenden Zylinderböden übergeht.
Eine formstabile Befestigung des Innenrohrs im Gaskolbenspeicher ist im Hinblick auf eine einwandfreie Betriebsfähigkeit von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann ein hydraulikseitiges Rohrende des Innenrohrs in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylinderboden konisch aufgeweitet sein, um den Ringspalt zu überbrücken. Das konisch aufgeweitete hydraulikseitige Rohrende des Innenrohres kann am Innenumfang des Außenrohrs und/oder am hydraulikseitigen Zylinderboden befestigt sein.
Zudem kann das Innenrohr an seinem gasseitigen Rohrende ebenfalls konisch aufgeweitet sein, wodurch der Ringspalt überbrückt werden kann. In diesem Fall kann auch das gasseitige Rohrende am Innenumfang des Außenrohrs und/oder am gasseitigen Zylinderboden befestigt sein. Der Strömungsdurchlass zwischen dem Ringspalt und dem Gasraum kann bevorzugt im konisch aufgeweiteten gasseitigen Rohrende des Innenrohrs ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß bildet der Innenumfang des Innenrohrs die Druckkolben-Lauffläche, während das Außenrohr funktionell entkoppelt vom Druckkolben ist. Die im Innenrohr gebildete Druckkolben-Lauffläche kann bevorzugt komplett glattzylindrisch ausgebildet sein, und zwar ohne eine Ringnut zur Anordnung eines Sicherungsrings, der im Stand der Technik als mechanischer Druckkolben-Anschlag wirkt. In diesem Fall ist in einem vollständig entleerten Zustand der Druckkolben mit der im Gasraum generierten Vorspannkraft in Druckanlage gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden gedrückt.
Alternativ zu einem entleerten Zustand kann der Gaskolbenspeicher nach einem Ladevorgang vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein. Im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand ist der Druckkolben entgegen der Vorspannkraft bis in Druckanlage gegen den gasseitigen Zylinderboden gedrückt.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Schnittdarstellung einen Gaskolbenspeicher; sowie
2 und 3 jeweils Schnittdarstellungen des Gaskolbenspeichers in unterschiedlichen Betriebspositionen.

In der 1 ist ein Gaskolbenspeicher gezeigt, der als eine Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist. Der Gaskolbenspeicher ist in der 1 doppelwandig mit einem Innenrohr 1 und einem Außenrohr 3 ausgebildet. Im Innenrohr 1 ist ein Druckkolben 5 axial geführt. Der Druckkolben 5 unterteilt das Rohrinnere des Innenrohrs 1 in einen unteren Hydraulikraum 7 und einen oberen Gasraum 9. Das Innenrohr 1 ist mit einem Radialabstand unter Bildung eines Ringspalts 13 von dem Außenrohr 3 beabstandet.
In der 1 ist der im Innenrohr 1 befindliche Gasraum 9 in Axialrichtung nach oben durch einen gasseitigen Zylinderboden 15 begrenzt. In gleicher Weist ist der im Innenrohr 1 befindliche Hydraulikraum 7 in Axialrichtung nach unten durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden 17 begrenzt, in dem eine Mündung (Ölzulauf) 19 einer Hydraulikleitung 21 ausgebildet ist. Die beiden Zylinderböden 15, 17 bilden zusammen mit dem Außenrohr 3 ein äußeres zylindrisches Gaskolbenspeicher-Gehäuse 23.
Wie aus den 1, 2, und 3 weiter hervorgeht, ist ein hydraulikseitiges Rohrende 25 des Innenrohrs 1 in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylinderboden 17 konisch ausgeweitet, wodurch der Ringspalt 13 radial nach außen überbrückt ist. Das konisch ausgeweitete, hydraulikseitige Rohrende 25 ist in druckfester sowie flüssigkeitsdichter Schweißverbindung am Inneneckbereich zwischen dem Außenrohr 3 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 verschweißt.
In gleicher Weise ist ein gasseitiges, oberes Rohrende 27 in Richtung auf den gasseitigen Zylinderboden 15 konisch ausgeweitet, wodurch der Ringspalt 13 radial nach außen überbrückt wird. Das konisch ausgeweitete gasseitige Rohrende 27 ist in der 1 oder 3 am Inneneckbereich zwischen dem Außenrohr 3 und dem gasseitigen Zylinderboden 15 befestigt. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine formstabile Doppelwandstruktur, bei der im Vergleich zu einer Einfachwandstruktur ein geringerer Materialeinsatz erforderlich ist. Der als Druckkolben-Lauffläche wirkende Innenumfang des Innenrohrs 1 ist komplett glattzylindrisch zwischen den beiden Rohrenden 25, 27 ausgebildet.
Wie aus den Figuren hervorgeht, ist in dem Ringspalt 13 zwischen dem Innenrohr 1 und dem Außenrohr 3 eine Heizspirale 6 als elektrischer Zuheizer angeordnet. Die Heizspirale 6 umzieht mit ihren Windungen das Innenrohr 1. Zudem ist die Heizspirale 6 mittels eines elektronischen Steuergeräts 12 ansteuerbar. Bei Vorliegen einer zu geringen Gaskolbenspeicher-Betriebstemperatur und/oder bei Vorliegen eines zu geringen Gasdruckes p_Gas bzw. eines zu geringen Speicherdruckes ps kann das Steuergerät 12 den Zuheizer 6 aktivieren, damit der Gasdruck p_Gas im Gasraum 9 des Gasdruckspeichers gesteigert wird.
In der 3 ist der Gaskolbenspeicher nach einem Entladevorgang in einem vollständig ölleeren Zustand gezeigt. Demzufolge ist der Druckkolben 5 durch eine Vorspannkraft FV, die durch einen Gasdruck p_gas im Gasraum 9 erzeugt wird, in Druckanlage gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden 17 gedrückt. Bei einer übermäßig großen Kontaktfläche zwischen dem Druckkolben 5 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 kann es beim Start eines Ladevorgangs zu einer Haftverbindung (aufgrund eines Saugnapfeffekts) zwischen dem Druckkolben 5 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 kommen. Um beim Start des Ladevorgangs ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom hydraulikseitigen Zylinderboden 17 zu unterstützen, weist der Druckkolben 5 eine flächenkleine Anschlagstruktur 29 auf, die über einen Axialversatz Δa (1) von einem axial zurückgesetzten Kolben-Grundkörper 31 abragt. Im vollständig entleerten Zustand gemäß der 3 ist der Druckkolben 5 daher über seine flächenkleine Anschlagstruktur 29 auf dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 abgestützt. Wie aus der 3 weiter hervorgeht, ist im ölleeren Zustand zwischen dem Kolben-Grundkörper 31, der Anschlagstruktur 29, dem Innenrohr-Innenumfang sowie dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 eine Hydraulik-Einfüllkammer 33 definiert. Beim Start des Ladevorgangs strömt daher Hydraulikflüssigkeit von der Hydraulikleitung 21 zunächst in die Einfüllkammer 33 ein, um ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom hydraulikseitigen Zylinderboden 17 zu unterstützen.
In der 2 ist der Gaskolbenspeicher nach einem erfolgten Ladevorgang vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Entsprechend ist in der 2 der Druckkolben 5 entgegen der Vorspannkraft FV in Druckanlage gegen den gasseitigen Zylinderboden 15 gedrückt. Der Druckkolben 5 weist an seiner Gasseite ebenfalls eine um einen Axialversatz Δa vom Kolben-Grundkörper 31 vorragende Anschlagstruktur 29 (1) auf. In der 2 definiert die Anschlagstruktur 29 zusammen mit dem Innenrohr-Innenumfang, dem Kolben-Grundkörper 31 sowie dem gasseitigen Zylinderboden 15 eine gasseitige Einfüllkammer 35. Mit dem Start eines Entladevorgangs entspannt sich das Gas und strömt vom Ringspalt 13 über den Strömungsdurchlass 10 in das Innenrohr 1 und weiter in die gasseitige Einfüllkammer 35 ein, um ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom gasseitigen Zylinderboden 15 zu unterstützen. Der Druckkolben 5 weist daher beidseitig, das heißt sowohl auf seiner Hydraulikseite als auch auf seiner Gasseite jeweils eine flächenreduzierte Anschlagstruktur 29 auf, die mit dem zugeordneten Zylinderboden 15, 17 in Anschlag bringbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Innenrohr
3: Außenrohr
5: Druckkolben
6: Zuheizer
7: Hydraulikraum
9: Gasraum
12: Steuegerät
13: Ringspalt
15: gasseitiger Zylinderboden
17: hydraulikseitiger Zylinderboden
19: Ölzulauf
21: Hydraulikleitung
23: Gaskolbenspeicher-Gehäuse
25: hydraulikseitiges Rohrende
27: gasseitiges Rohrende
29: Anschlagstruktur
31: Kolben-Grundkörper
33: hydraulikseitige Einfüllkammer
35: gasseitige Einfüllkammer
37: Kolbendichtring
Δa: Axialversatz
p_gas: Gasdruck
p_S: Speicherdruck
F_V: Vorspannkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014003083 A1 [0002]
DE 4421773 A1 [0006]
DE 102005004982 B4 [0006]
EP 2052889 B1 [0006]

Claims

Gaskolbenspeicher mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Hydraulikraum (7) mit einer Hydraulikleitung (21) verbindbar ist, wobei auf den Hydraulikraum (7) ein mit einer Vorspannkraft (Fv) vorgespannter Druckkolben (5) einwirkt, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung (21) mit einem Speicherdruck (p_S) zu beaufschlagen, wobei die Vorspannkraft (F_V) durch einen Gasdruck (p_Gas) in einem Gasraum (9) erzielt ist, der über den Druckkolben (5) vom Hydraulikraum (7) abgetrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gasraum (9) ein insbesondere elektrischer Zuheizer (6) zugeordnet ist, und dass bei Aktivierung des Zuheizers (6) der Gasdruck (p_Gas) im Gasraum (9) steigerbar ist.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuheizer (6) innerhalb des Gasraums (9) oder eines damit strömungstechnisch verbundenen Ringspalts (13) angeordnet ist.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskolbenspeicher einen Zylinderabschnitt (1) aufweist, der radial innen eine Druckkolben-Lauffläche bildet, und dass der Zuheizer (6) radial außerhalb des Zylinderabschnitts (1) angeordnet ist.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuheizer (6) als eine Heizspirale realisiert ist, und dass insbesondere die Windungen der Heizspirale den Zylinderabschnitt (1) umziehen.
Gaskolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskolbenspeicher doppelwandig ausgeführt ist, und zwar mit einem, insbesondere den Zylinderabschnitt bildenden Innenrohr (1), in dem der Druckkolben (5) axial geführt ist, und mit einem Außenrohr (3), das das Innenrohr (1) unter Bildung eines Ringspalts (13) umzieht, und dass insbesondere der Zuheizer (6) in dem Ringspalt (13) zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr (3) angeordnet ist.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkolben (5) das Rohrinnere des Innenrohrs (1) in den Hydraulikraum (7) und den Gasraum (9) unterteilt, und/oder dass der Ringspalt (13) flüssigkeits- und druckdicht vom Hydraulikraum (7) abgetrennt ist und strömungstechnisch mit dem Gasraum (9) verbunden ist, und/oder dass insbesondere der im Innenrohr (1) gebildete Gasraum (9) über zumindest einen Strömungsdurchlass (10) mit dem Ringspalt (13) verbunden ist.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikraum (7) des Innenrohrs (1) in Axialrichtung durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden (17) des Gaskolbenspeichers begrenzt ist, und/oder dass der Gasraum (9) des Innenrohrs (1) in Axialrichtung durch einen gasseitigen Zylinderboden (15) des Gaskolbenspeichers begrenzt ist, und/oder dass der hydraulikseitige Zylinderboden (17) und/oder der gasseitige Zylinderboden (15) als mechanische Kolben-Anschläge für den Druckkolben (5) wirken.
Gaskolbenspeicher nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem entleerten Zustand der Druckkolben (5) mit der Vorspannkraft (F_V) gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden (17) gedrückt ist, oder dass in einem vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand der Druckkolben (5) entgegen der Vorspannkraft (F_V) gegen den gasseitigen Zylinderboden (15) gedrückt ist.
Gaskolbenspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuheizer (6) in Signalverbindung mit einem elektronischen Steuergerät (12) ist, und dass bei Vorliegen einer zu geringen Gaskolbenspeicher-Betriebstemperatur und/oder bei Vorliegen eines zu geringen Gasdruckes (p_Gas) bzw. eines zu geringen Speicherdruckes (p_S) das Steuergerät (12) den Zuheizer (6) aktiviert.