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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe und insbesondere
eine Kolbenpumpe, welche mittels eines Exzenterantriebs oder einer
Nockenwelle angetrieben wird und in Fahrzeugen, insbesondere in
Hydraulikkreisen, verwendet wird.
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Kolbenpumpen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. Die bekannten Kolbenpumpen weisen üblicherweise ein Pumpengehäuse mit
wenigstens einer Pumpenbohrung auf, in welcher ein Kolben unmittelbar
oder mittelbar in einer Laufbuchse geführt ist. Zur Förderung
von Fluid wird dabei der Kolben in axialer Richtung mittels eines
Exzenters hin- und herbewegt, wobei der Exzenter an einer Stirnfläche des
Kolbens mit diesem in Kontakt steht. Eine Rückstellfeder stellt dabei die
Rückstellung
des Kolbens in seine Ausgangsposition sicher. Beim Antreiben des
Kolbens mittels des Exzenters ergibt sich dabei zwischen dem Kolben
und dem Exzenter eine Mischung aus einer Gleit- und einer Rollbewegung über die
Kolbenstirnfläche
hinweg. Diese Bewegungen laufen unkoordiniert über die Kolbenstirnfläche ab.
Da der Kontaktpunkt zwischen dem Kolben und dem Exzenter während der
Bewegung auf der Kolbenstirnfläche
wandert, werden Querkräfte
auf den Kolben ausgeübt. Diese
Querkräfte
führen
zu einer stärkeren
Belastung des Kolbenlagers, was wiederum zu einem erhöhten Verschleiß des Kolbenlagers
führt.
Weiterhin tritt während
des Betriebes ein ständig
zunehmender Verschleiß an
der Kolbenstirnfläche
auf, welcher die Reibung zwischen dem Kolben und dem Exzenter an der
Stirnfläche
negativ beeinflusst, was über
die Lebensdauer der Kolbenpumpe zu einer weiteren Zunahme der Querkraft
führt.
Dadurch erhöht
sich einerseits der Verschleiß an
der Kolbenstirnfläche
weiter und andererseits auch der Verschleiß am Kolbenlager.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kolbenpumpe
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass eine vom Antriebselement auf den Kolben der Pumpe
ausgeübte
Querkraft nicht auf den Kolben übertragen
wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass zwischen dem Kolben und dem Antriebselement ein Zwischenelement
angeordnet ist. Das Zwischenelement ist dabei mit einem Gehäusebauteil
bzw. Gehäuse
der Kolbenpumpe verbunden und überträgt die vom
Antriebselement aufgenommene Querkraft auf das Gehäusebauteil.
Dadurch kann vermieden werden, dass Querkräfte auf den Kolben übertragen
werden. Dadurch ermöglicht
die erfindungsgemäße Kolbenpumpe
einen besonders verlustarmen Betrieb und weist somit einen signifikant
höheren
Wirkungsgrad im Vergleich mit bisherigen Kolbenpumpen auf. Weiterhin
kann der Verschleiß an
den Bauteilen der Kolbenpumpe, insbesondere dem Kolben, bei einem
Kolbenführungselement
und Dichtelementen am Kolben deutlich reduziert werden. Erfindungsgemäß wird somit
die Reibung am Kolben verringert und die vom Antriebselement ausgeübten Querkräfte direkt
in das Gehäuse
der Kolbenpumpe eingeleitet. Somit kann eine erhebliche Verlängerung
der Lebensdauer der Kolbenpumpe erreicht werden.
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Die
Unteransprüche
haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Vorzugsweise
umfasst die Kolbenpumpe mehrere Kolben und jedem Kolben ist ein
separates Zwischenelement zugeordnet. Dabei nimmt jedes Zwischenelement
nur genau diejenigen Querkräfte auf,
welche vom Antriebselement auf das einem Kolben zugeordnete Zwischenelement
ausgeübt
werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Querkrafteinfluss
von anderen Kolben völlig
eliminiert werden kann, da kein gemeinsames Zwischenelement für alle Kolben
vorgesehen ist.
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Um
eine einfache und kostengünstige
Herstellbarkeit des Zwischenelements bereitzustellen, ist das Zwischenelement
vorzugsweise als Zwischenplatte ausgebildet.
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Die
Zwischenplatte ist vorzugsweise an einem Lager drehbar am Gehäusebauteil
gelagert. Dadurch kann die Zwischenplatte einfach der Bewegung des
Kolbens folgen, ohne dass ein großer Reibungsbetrag an der Zwischenplatte
auftritt. Besonders bevorzugt kann die Zwischenplatte beispielsweise
an einer Welle drehbar gelagert sein. Die vom Antriebselement ausgeübte Querkraft
wird dann über die
Welle in das Gehäuse
der Kolbenpumpe eingeleitet.
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Besonders
bevorzugt ist das Lager der Zwischenplatte an einem Endbereich der
Zwischenplatte oder an einem mittleren Bereich der Zwischenplatte angeordnet.
Um eine verbesserte Funktion der Bewegung des Zwischenelements zu
erreichen, ist vorzugsweise zwischen dem Zwischenelement und dem Gehäusebauteil
eine Vorspanneinrichtung, insbesondere ein Federelement o.Ä. angeordnet.
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Bevorzugt
ist die Zwischenplatte als flexible Platte oder als starre Platte
ausgebildet. Bei Verwendung einer flexiblen Platte als Zwischenplatte
kann die Platte auch derart ausgebildet sein, dass sie immer eine
automatische Rückstellung
in ihre Ausgangsstellung ermöglicht.
Dadurch kann z.B. ein enges Anliegen der Zwischenplatte an dem Kolben
bzw. dem Antriebselement erreicht werden. Eine derartige flexible
Zwischenplatte ist z.B. aus Federstahl hergestellt
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
die Zwischenplatte fest am Gehäusebauteil
befestigt und weiterhin als flexible Platte ausgebildet. Die Befestigung
kann beispielsweise mittels Verschrauben, Schweißen o.Ä. ausgeführt werden. Als Lager für die Zwischenplatte
dient somit der Ort der Befestigung der Zwischenplatte am Gehäusebauteil.
Diese Ausbildung kann besonders kostengünstig bereitgestellt werden.
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Gemäß einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist das Zwischenelement als topfförmiges Bauteil
ausgebildet. Das topfförmige
Zwischenbauteil ist dabei derart am Gehäusebauteil gelagert, dass es
in axialer Richtung des Kolbens bewegbar ist. Dadurch kann das Zwischenelement
die Axialbewegung des Kolbens nachvollziehen. Eine Übertragung
der Querkräfte
vom Antriebselement erfolgt dabei über die Lager des topfförmigen Zwischenelements.
Besonders bevorzugt ist das topfförmige Zwischenelement dabei
mittels eines oder zweier Ringlager am Gehäusebauteil gelagert.
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Das
Antriebselement ist vorzugsweise als Exzenter oder als Nockenwelle
oder als Exzenter mit integrierten Nocken ausgebildet. Als Material
für das Zwischenelement
wird weiterhin vorzugsweise Stahl, insbesondere Federstahl, Kunststoff
oder faserverstärkte
Folien verwendet.
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Besonders
bevorzugt ist die Kolbenpumpe als Radialkolbenpumpe ausgebildet
und umfasst mehrere Kolben, welche abwechselnd von einem Antriebselement
betätigt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenpumpe
wird vorzugsweise in Fahrzeugen verwendet und dabei insbesondere
ASR-, ABS-, ESP- und/oder EHB-Systemen verwendet. Hierbei ergeben
sich besonders große
Vorteile der vorliegenden Erfindung, da die Lebensdauer von Kolbenpumpen,
welche in derartigen Sicherheits- und/oder Bremssystemen von Fahrzeugen
eingesetzt werden, deutlich erhöht
werden kann. Dadurch können
Wartungskosten derartiger Systeme signifikant reduziert werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Kolbenpumpe gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht einer Kolbenpumpe gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und
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3 eine
schematische Schnittansicht einer Kolbenpumpe gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 eine Kolbenpumpe 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In 1 ist die
Kolbenpumpe nur teilweise und schematisch dargestellt, wobei die
vorliegende Erfindung nicht betreffende Teile aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen
wurden.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die Kolbenpumpe 1 ein
Antriebselement 2 in Form eines Exzenters, welcher sich
um eine Exzenterachse E dreht. Mit M ist der Mittelpunkt des im
Schnitt kreisförmigen Exzenters 2 bezeichnet.
Der Exzenter wird in Richtung des Pfeils R von einer nicht dargestellten
Antriebseinheit angetrieben. Weiter umfasst die Kolbenpumpe 1 einen
Kolben 3, welcher in einer Kolbenführung 7 geführt ist.
Die Kolbenführung 7 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Bohrung, die im Gehäuse 4 der
Kolbenpumpe 1 ausgebildet ist. Der Kolben 3 weist
ein erstes Führungslager 8 und
ein zweites Führungslager 9 auf.
Dabei ist das zweite Führungslager 9 als
Lagerring ausgebildet und das erste Führungslager 8 durch
einen vom Kolben nach außen vorstehenden,
ringförmigen
Absatz gebildet.
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Zwischen
dem Kolben 3 und dem Antriebselement 2 ist ein
plattenförmiges
Zwischenelement 5 angeordnet. Das plattenförmige Zwischenelement 5 ist
an einer Welle 6 gelagert, welche fest mit dem Gehäuse 4 verbunden
ist. Das Zwischenelement 5 ist dabei an der Welle 6 derart
gelagert, dass es um die Welle 6 drehbar angeordnet ist,
wie durch den Doppelpfeil A angedeutet. Somit ist es für das Zwischenelement 5 möglich, der
Bewegung des Kolbens im Führungselement 7 zu
folgen.
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Die
Funktion des erfindungsgemäßen Zwischenelement 5 ist
dabei wie folgt: Wenn sich das Antriebselement 2 in Richtung
des Pfeils R bewegt, wird aufgrund der Exzentrizität das Zwischenelement 5 gemeinsam
mit dem Kolben 3 im Führungselement 7 nach
links bewegt. Dabei muss die Kraft, welche sich aus der Druckkraft
des Fluids Fp, aus der Dichtungskraft Fd und aus einer Federkraft
Ff zur Rückstellung
des Kolbens 3 überwunden
werden. Dadurch kann in bekannter Weise Druck in einem Hydrauliksystem
erzeugt werden. Während
der Drehung des Antriebselements 2 werden auch Querkräfte Fq erzeugt.
Durch Zwischenschalten des Zwischenelements 5 zwischen
den Kolben 3 und das Antriebselement 2 werden
diese Querkräfte
auf das Zwischenelement 5 übertragen und von dort über die Lagerwelle 6 unmittelbar
ins Gehäuse 4 eingeleitet. Dadurch
wird verhindert, dass eine Querkraft Fq auf den Kolben 3 wirken
kann. Dadurch wird insbesondere die Reibung des Kolbens 3 verringert,
so dass die gesamte Kolbenpumpe 1 einen besseren Wirkungsgrad
aufgrund verringerter Verluste und eine längere Lebensdauer aufgrund
einer geringeren Belastung der einzelnen Bauteile, insbesondere
des Kolbens sowie der Kolbenlagerungen, erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch die einfache Maßnahme
des Dazwischenschaltens des Zwischenelements 5 erreicht,
welche die Querkraft Fq unmittelbar ins Gehäuse 4 einleitet. Da aufgrund
der Exzentrizität
des Antriebselements 2 der Kontaktpunkt K zwischen dem
Antriebselement 2 und dem Zwischenelement 5 wandert,
ergeben sich während des
Betriebes auch jeweils unterschiedliche Größen für die Querkraft Fq. In gleicher
Weise wandert der Kontaktpunkt L zwischen dem Kolben 3 und
dem Zwischenelement 5 abhängig von der Winkelstellung des
Zwischenelements 5.
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Somit
wird erfindungsgemäß das Zwischenelement 5 zur
Einleitung der Querkräfte
Fq in das Gehäuse 4 verwendet.
Dabei ist das Zwischenelement 5 an einem Ende gelenkig
an der Welle 6 gelagert. Hierbei sollte die Anordnung des
Zwischenelements 5 möglichst
derart erfolgen, dass eine Auslenkung des Zwischenelements 5 am
Kontaktpunkt L zum Kolben 3 möglichst gering ist. Dies kann
insbesondere durch ein möglichst
langes Zwischenelement 5 erreicht werden.
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Im
vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist das Zwischenelement 5 gelenkig am Gehäuse 4 gelagert,
wobei das Zwischenelement 5 ein starres, plattenförmiges Element
ist. Es ist jedoch auch möglich,
das Zwischenelement 5 fest am Gehäuse 4 zu befestigen
und dabei eine flexible Platte, wie z.B. ein Federblech, als Zwischenelement
zu verwenden.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 2 eine Kolbenpumpe 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet. Dabei sind gleiche bzw. funktional
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, entspricht das zweite Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
ist beim zweiten Ausführungsbeispiel der
Drehpunkt für
die bewegliche Lagerung des Zwischenelements 5 nicht an
einem Endbereich des Zwischenelements angeordnet, sondern an einem
mittleren Bereich. Das Zwischenelement 5 ist wieder an
einer Welle 6 drehbar gelagert.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, befindet sich der Kolben 3 mit
einem Ende 5a des Zwischenelements 5 in Kontakt
und das Antriebselement 2 mit dem anderen Ende 5b an
der entgegensetzten Seite in Kontakt. Weiterhin ist zwischen dem
Zwischenelement 5 und dem Gehäuse 4 an dem das Antriebselement 2 kontaktierenden
Ende 5b des Zwischenelements 5 eine Druckfeder 10 angeordnet,
welche das Zwischenelement 5 in Richtung des Antriebselements 2 drückt. Die
Druckfeder 10 ist dabei derart ausgelegt, dass ihre Druckkraft
größer als
die Summe der Kräfte
des Fluidsdrucks Fp, der Dichtungskraft Fd und der Rückstellfederkraft
Ff ist, welche am Kolben 3 angreifen. Dadurch stellt die
Druckfeder 10 eine Bewegung des Kolbens 3 in Richtung
des Pfeils B sicher. Die Rückstellung
des Kolbens 3 entgegengesetzt zur Richtung B erfolgt dabei über die
Kraft Ff der Rückstellfeder,
wenn der Exzenter des Antriebselements 2 das Zwischenelement 5 gegen
die Kraft der Druckfeder 10 um die Welle 6 in
Richtung gegen das Gehäuse 4 drückt. Die
Kraft der Druckfeder 10 kann dabei abhängig von den jeweiligen Längen der Hebelarme
des Zwischenelements 5 gewählt werden.
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Es
sei angemerkt, dass ebenfalls ein zu dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel ähnliches Ausführungsbeispiel
nach dem Kipphebelprinzip derart realisiert werden kann, dass das
Antriebselement 2 an Stelle der Druckfeder 10 zwischen
dem Gehäuse 4 und
dem Zwischenelement 5, genauer dem Endbereich 5b des
Zwischenelements angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann dann
auf die Druckfeder 10 verzichtet werden.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 3 eine Kolbenpumpe 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hierbei sind wieder gleiche
bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im
ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Im
Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist bei der
Kolbenpumpe 1 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
das Zwischenelement nicht mehr als Plattenelement ausgebildet, sondern
als topfförmiges
Bauteil 5. Dabei umfasst das topfförmige Zwischenelement 5 einen
kreisrunden Bodenbereich 5d und einen hohlzylindrischen Randbereich 5c.
Der Bodenbereich 5d steht dabei einerseits mit dem Kolben 3 und
andererseits mit dem Antriebselement 2 in Verbindung. Die
Lagerung des Zwischenelements 5 erfolgt dabei am Randbereich 5c,
wobei an der Innenseite des Randbereichs 5c ein erstes
Lager 11 und an der Außenseite
des Randbereichs 5c ein zweites Lager 12 angeordnet
ist. Die beiden Lager 11, 12 sind als Ringlager
ausgebildet, so dass sich der Randbereich 5c des Zwischenelements 5 gegen
das Gehäuse 4 abstützt. Wie
aus 3 ersichtlich ist, ist der Randbereich 5c des
Zwischenelements 5 dabei in einer im Gehäuse 4 gebildeten
ringförmigen
Aussparung 13 angeordnet.
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Somit
ist das Zwischenelement 5 derart gelagert, dass es axial
gemeinsam mit dem Kolben 3 bewegbar ist. In der in 3 gezeigten
Stellung befindet sich der Kolben 3 nahe seinem oberen
Totpunkt. Wenn sich das Antriebselement 2 weiter in Richtung des
Pfeils R dreht, wird der Kolben 3 aufgrund der Kraft Ff
der Rückstellfeder
(nicht dargestellt) in Richtung auf das Antriebselement 2 bewegt
und somit auch das Zwischenelement 5 gemeinsam mit dem Kolben 3 bewegt.
Wenn Querkräfte
Fq vom Antriebselement 2 auf das Zwischenelement 5 übertragen werden,
werden diese Querkräfte
Fq weiter über
die Lager 11, 12 in das Gehäuse eingeleitet. Somit werden
die Querkräfte
Fq nicht auf den Kolben 3 übertragen, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile
erreicht werden können.
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Im
vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist das topfförmige
Zwischenelement 5 als starres Element ausgebildet. Es ist
jedoch auch möglich,
dass beispielsweise der ringförmige
Bodenbereich 5d flexibel ausgebildet ist und der Randbereich 5c fest
mit dem Gehäuse 4 verbunden
ist. Dadurch kann der flexible Bodenbereich 5d den Bewegungen des
Kolbens folgen und eingeleitete Querkräfte Fq können über den fest mit dem Gehäuse 4 verbundenen
Randbereich 5c in das Gehäuse eingeleitet werden.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenpumpe
wird insbesondere in Fahrzeugen und dabei insbesondere in Brems-
und/oder Sicherheitssystemen wie ASR, ABS, ESP und/oder EHB-Systemen
verwendet. Dadurch kann die Lebensdauer derartiger Systeme im Vergleich
mit den bisher im Stand der Technik verwendeten Systemen signifikant
verlängert
werden.