DE19612593C2 - Umlaufhydrauliksystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Umlaufhydraulik­ systeme und insbesondere ein vorratsbehälterloses Umlaufhydrauliksystem, bei dem Luft aus der umlau­ fenden Flüssigkeit entfernt werden muß, sowie einen Luftabscheider für ein Hydrauliksystem.

Herkömmliche Umlaufhydrauliksysteme, beispielsweise Servolenkungssysteme für Kraftfahrzeuge, bestehen aus einem Flüssigkeitsvorratsbehälter, aus dem eine Pumpe über einen für niedrigeren Druck ausgelegten Versorgungsschlauch mit Flüssigkeit versorgt wird. Die Pumpe beaufschlagt die Flüssigkeit mit Druck und leitet sie über eine Hochdruckschlauchanordnung einem Betätigungselement, beispielsweise einer Len­ kungszahnstange, zu. Die verdrängte Flüssigkeit aus dem Betätigungselement wird über eine Niederdruck­ rückführungsleitung zu dem Vorratsbehälter zurück­ geführt.

Der Vorratsbehälter hat mehrere Funktionen. Er ver­ sorgt das System mit frischer Flüssigkeit. Außerdem nimmt er durch thermische Veränderungen hervorgeru­ fene Überschußflüssigkeit auf und dient dazu, vor­ handene Luft aus der Flüssigkeit abzuscheiden, wäh­ rend sich diese im dem Vorratsbehälter befindet.

Ein Behälter für Hydraulikflüssigkeit, der als Schlauch mit flexibler Wand ausgebildet ist, ist in EP 0281 052 A1 beschrieben.

DE 24 59 276 B2 gibt ein Beispiel für einen Luftabscheider.

Ein derartiges Hydrauliksystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Luftabscheider mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10 sind aus DE 43 26 580 A1 bekannt.

Die Verwendung eines Vorratsbehälters ist jedoch unter gewissen Umständen unerwünscht; so bean­ sprucht ein Vorratsbehälter beispielsweise relativ viel Raum und erfordert außerdem die Verwendung ei­ ner relativ großen Flüssigkeitsmenge. Ein Vorrats­ behälter kann normalerweise nicht hermetisch abge­ schlossen werden.

Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfin­ dung, ein Umlaufhydrauliksystem beziehungsweise ei­ nen Luftabscheider für ein Hydrauliksystema bereit­ zustellen, das ohne einen konventionellen Vorrats­ behälter auskommt und eine effektive Luftabschei­ dung mit einfachen Mitteln zuläßt.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Hydrauliksystem nach Anspruch 1 beziehungsweise einen Luftabschei­ der nach Anspruch 10.

Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen beschrieben; dabei sind:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems nach vorliegender Erfindung;

Fig. 2 ein vergrößerter schematischer Schnitt durch Teil des Systems ent­ lang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3a, b und c Ansichten entlang der Linie III- III in Fig. 1, die unterschiedliche Querschnittsformen von Behältern mit verschiedenen Volumina zeigen;

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstel­ lung eines Luftabscheiders nach vorliegender Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in Fig. 4 und 6;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI- VI in Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein Umlaufhydrauliksystem 10 dargestellt.

Das System 10 schließt eine Hydraulikpumpe 12, ein Betätigungselement 14, eine Hochdruckzuführungs­ leitung 16 und eine Niederdruckrückführungsleitung 18 ein.

Die Niederdruckrückführungsleitung 18 stellt eine direkte Flüssigkeitsverbindung zwischen einem Auslaß aus dem Betätigungselement 14 und einem Einlaß der Pumpe 12 her; die Hochdruckzuführungsleitung 16 stellt eine direkte Flüssigkeitsverbindung zwischen einem Auslaß der Pumpe 12 und einem Einlaß des Betätigungselementes 14 her. Folglich definieren die Pumpe 12, das Betätigungs­ element 14 und die Leitungen 16, 18 einen Umlaufweg oder eine Umlaufschleife L (wie in Fig. 1 schematisch dargestellt).

Ein innerhalb der Leitung 18 angeordneter Luftab­ scheider 30 bewirkt, daß Luft aus der Hydraulikflüssig­ keit abgeschieden wird, während diese mittels der Pumpe 12 durch die Umlaufschleife L befördert wird.

Der Luftabscheider 30 schließt einen zylindrischen Hohlkörper 31, eine Flüssigkeitseinlaß­ öffnung 32, durch die Flüssigkeit aus einem in Strömungs­ richtung vorgeschalteten Bereich der Leitung 18 eintritt, und eine an dem unteren axialen Ende des Körpers 31 angeordnete Auslaßöffuung 33 ein, durch die austretende Flüssigkeit über einen in Strömungsrichtung nach­ geschalteten Abschnitt der Leitung 18 zu der Pumpe 12 gelangt. Der Körper 31 schließt außerdem eine Flüssig­ keitsverbindungsöffnung 34 ein, die an dem oberen axialen Ende des Körpers 31 angeordnet ist. Die über den Weg L erfolgende, von der Pumpe 12 geschaffene Umlaufströmung bewirkt, daß Flüssigkeit durch die Öffnung 32 des Abscheiderkörpers 31 eintritt und durch die Öffnung 33 austritt.

Ein innerhalb des Körpers 31 angeordnetes Strö­ mungsumlenkmittel 39 dient dazu, den Strömungsweg der zwischen den Öffnungen 32 und 33 strömenden Flüssigkeit aufzuteilen, um einen primären Strömungsweg 40 (Fig. 2) und einen sekundären Strömungsweg 41 zu schaffen. Über den Strömungsweg 40 strömende Flüssigkeit strömt direkt von der Öffnung 32 zu der Öffnung 33, während über den Strömungsweg 41 strömende Flüssigkeit dazu veranlaßt wird, zu dem oberen Bereich 44 des Körpers 31 zu strömen, bevor sie nach unten strömt und durch die Öffnung 33 austritt.

Luft wird aus der primär in dem oberen Bereich 44 des Körpers 31 enthaltenen Flüssigkeit geschieden und tritt dann durch die Öffnung 34 aus. Das Abscheiden der Luft innerhalb des Bereiches 44 kann dadurch erfolgen, daß sichergestellt wird, daß eine ausreichend große Flüssigkeitsmenge über den Weg 40 strömt, so daß innerhalb des oberen Bereiches 44 ein Unterdruck entsteht, und daß dafür gesorgt wird, daß die Flüssigkeit mit einer relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit durch den oberen Bereich 44 strömt, um die Verweilzeit der Flüssigkeit in dem oberen Bereich 44 zu verlängern. In der dargestellten Ausführungsform wird dies mit Hilfe des Strömungs­ umlenkmittels 39 erreicht, das einen festen Körper 50 mit halbkreisförmigem Querschnitt einschließt, der sich von dem unteren axialen Ende des Hohlkörpers 31 aus nach oben erstreckt und ein oberes axiales Ende 51 aufweist, das mit Abstand zu dem oberen axialen Ende 46 des Körpers 31 angeordnet ist, um den Bereich 44 zu definieren.

In dem Körper 50 ist eine Bohrung 55 ausgebildet, die eine Einlaßöffnung 56 gegenüber der Öffnung 32 und eine Auslaßöffnung 57 aufweist, die mit dem Bereich 44 in Verbindung steht. Wenn also Flüssigkeit durch die Öffnung 32 in den Körper 31 strömt, prallt ein Anteil der Flüssigkeit auf die Öffnung 56 und strömt, durch die Bohrung 55 und schafft den sekundären Strömungsweg 41. Aus der Öffnung 57 austretende Flüssigkeit gelangt in den wesentlich größeren Bereich 44 und dehnt sich dadurch aus, und ihre Strömungsgeschwindigkeit nimmt wesentlich ab. Diese Effekte wirken mit dem durch die Flüssigkeits­ strömung 40 erzeugten Unterdruck zusammen und begünstigen, daß sich in der Flüssigkeit gelöste Luft in dem Bereich 44 abscheidet.

Aus dem Bereich 44 austretende Flüssigkeit strömt zwischen dem Körper 50 und der Innenwand des Hohlkörpers 31 nach unten, und tritt aus der Öffnung 33. Die Querschnittsfläche und/oder Formen der Öffnung 32 und der Öffnung 56, die der Öffnung 32 direkt gegenüberliegt, bestimmen primär den Anteil der über den Weg 41 strö­ menden Flüssigkeit und ermöglichen es dadurch, den Anteil der über den Weg 41 umgelenkten Flüssigkeit durch geeignete Wahl der entsprechenden Formen und/oder Quer­ schnittsflächen der Öffnungen 32, 56 einzustellen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Öffnung 56 kreisförmig ausgeführt und weist den gleichen Durchmesser wie die Öffnung 32 auf. Die Öffnung 56 ist jedoch so angeordnet, daß ihre Achse im Verhältnis zu der Achse der Öffnung 32 geneigt ist und dadurch eine elliptische Querschnittsform mit im Vergleich zu der Öffnung 32 reduzierter Fläche darstellt. Der Grad der Neigung (erzielt durch die relative Drehposition des Körpers 50 innerhalb des Körpers 31) der Öffnung 56 wird so gewählt, daß der gewünschte Anteil der Strömung über den Weg 41 strömen kann. Es ist beabsichtigt, daß die Achsen der Öffnungen 32 und 56 auch koaxial verlaufen können, und daß die Öffnung 56 kreisförmig ausgebildet sein oder im Vergleich zu der Öffnung 32 eine abweichende Form und/oder gegenüber der Öffnung 32 eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen kann.

Es versteht sich jedoch, daß das Strömungsumlenk­ mittel 39 trotz unterschiedlicher Form oder Ausführung dennoch die gewünschte Funktion erfüllt.

Die Öffnung 34 steht mit einem Flüssigkeitsbehälter 60 in Verbindung. Der Behälter 60 stellt eine Zuleitung bereit, durch die Hydraulikflüssigkeit bei der anfänglichen Befüllung des Systems in den Umlaufweg oder die Umlaufschleife L eingefüllt werden kann. Die Menge der eingefüllten Hydraulikflüssigkeit reicht aus, um die gesamte Umlaufschleife L und den Abscheider 30 zu füllen sowie den Behälter 60 vorzugsweise vollständig zu füllen. Nach der Befüllung des Systems wird der Behälter 60 mittels einer Kappe 61 vorzugsweise luftdicht abgeschlossen.

Der Behälter 60 ist so konstruiert, daß er sein Innenvolumen als Reaktion auf Volumenänderungen der innerhalb des Systems enthaltenen Hydraulikflüssigkeit, die z. B. durch thermische Ausdehnung/Kontraktion ver­ ursacht werden, variieren kann. Der Behälter 60 wirkt daher als ein Puffervolumen für innerhalb des Systems enthaltene Hydraulikflüssigkeit. Der Behälter dient ebenfalls vorzugsweise als temporäre Überschußflüssig­ keitsquelle, so daß die Umlaufschleife L mit Flüssigkeit versorgt werden kann, um eine Kavitation der Pumpe zu verhindern.

Der Behälter 60 weist vorzugsweise, wie abgebildet, die Form eines eine flexible Wand besitzenden Schlauches 62 auf, dessen Querschnittsform normalerweise der Darstellung in Fig. 3a entspricht.

Sollte das Volumen der Hydraulikflüssigkeit in dem System zunehmen, dehnt sich der Schlauch 62 aus und nimmt schließlich einen kreisförmigen Querschnitt an, wie in Fig. 3c dargestellt. Die Konstruktion des Schlauches 62 ist so gewählt, daß die Ausdehnung des Schlauches 62 zu seiner kreisförmigen Konfiguration ein Ergebnis einer Formänderung der Schlauchwand und nicht auf eine Streckung des Schlauchwandmaterials zurückzuführen ist. Dadurch ist es möglich, die Volumenvergrößerung zu erzielen, ohne daß übermäßige Gegendrücke in der Flüs­ sigkeit erzeugt werden.

Sollte das Volumen der Hydraulikflüssigkeit in dem System abnehmen oder Flüssigkeit aus dem Behälter abgezogen werden, um einem temporären Bedarf der Pumpe 12 zu entsprechen, fällt der Schlauch 62 nach innen zusammen und nimmt schließlich die in Fig. 3b dargestellte Quer­ schnittsform an. Der Schlauch 62 wird während der Her­ stellung vorzugsweise so geformt, daß nach dem vollstän­ digen Zusammenfallen noch ein oder mehrere Kanäle 63 verfügbar sind, um so einen Flüssigkeitskanal durch den Schlauch 62 aufrechtzuerhalten. Ein solcher Kanal trägt dazu bei, daß Flüssigkeit wieder in den Schlauch ein­ treten und diesen ausdehnen kann, und er sorgt ebenfalls dafür, daß ein Kanal aufrechterhalten wird, durch den aus dem Luftabscheider entweichende Luft strömen kann.

Der Schlauch 62 schließt vorzugsweise einen oberen vergrößerten Abschnitt 65 mit kreisförmigem Querschnitt ein, dessen Volumen sich nicht verändern soll, d. h. dieser Abschnitt soll nicht zusammenfallen, wenn der Rest des Schlauches 62 in Anpassung an eine Volumenverringerung zusammenfällt. Der vergrößerte Abschnitt 65 dient dazu, von dem Abscheider 30 abgeschiedene Luft zu sammeln und aufzunehmen.

Bei einem typischen System, beispielsweise einem Servolenkungssystem eines Fahrzeuges, werden die zum Ausweiten/Zusammenfallen der Wände des Schlauches 62 erforderlichen Drücke innerhalb akzeptabler Toleranzen gehalten, um die gewünschte Druckcharakteristik der Hydraulikflüssigkeit nicht zu beeinträchtigen. Folglich wird bei einem Servolenkungssystem der zum Ausweiten des Schlauches 62 benötigte Druck vorzugsweise unter etwa 3 bar gehalten.

Ein geeigneter Behälter 60 kann aus einem Gummi­ schlauch gebildet sein, der eine einzelne Verstärkungs­ schicht enthält.

Luft, die aus dem Abscheider 30 entwichen ist, wird innerhalb des oberen Bereiches des Behälters 60 zurückgehalten, d. h. sie wird dort eingefangen.

Es versteht sich, daß es der Behälter 60 zuläßt, daß Flüssigkeit problemlos aus dem flexiblen Schlauch in das System abgezogen werden kann, wenn sich die Schläuche des Umlaufsystems druckbedingt ausdehnen. Aufgrund der Möglichkeit des flexiblen Schlauches 62 zusammenzufallen wird das Entstehen von Unterdrücken in dem Versorgungs­ schlauch zu der Pumpe und damit eine nachteilige Pumpen­ kavitation vermieden. Der flache Querschnitt (Fig. 3a) des flexiblen Schlauches wandelt sich zu einem runden Querschnitt, ohne eine Dehnung des Schlauchmaterials (Fig. 3c) zu bewirken und verursacht bei einer Wärmeaus­ dehnung der Flüssigkeit einen minimalem Druck. Da der flexible Schlauch seine Form leicht verändert, wird sichergestellt, daß die Niederdruckseite des Systems keine wesentliche Druckbeaufschlagung erfährt. Dadurch werden unerwünschte Gegendrücke vermieden, die einen Verlust der Leistungsfähigkeit des Systems bewirken würden, andererseits wird jedoch ein geringer Befüllungs­ druck für die Pumpe bereitgestellt.

Die Kappe 61 kann mit einem Einwegventil ausgestattet werden, um den Zutritt von Luft in den Behälter 60 zu ermöglichen, so daß sich Hydraulikflüssig­ keit in dem Fall daraus abziehen läßt, wenn die flexible Wand des Schlauches 62 beispielsweise aufgrund der Tatsache, daß die Wand durch Einwirkung extrem niedriger Außentemperaturen ihre Flexibilität verliert, nicht mehr zusammenfallen kann.

Der Abscheider 30 kann direkt an die Pumpe 12 angeschlossen werden, so daß dann auf die Leitung 18 zwischen dem Abscheider und der Pumpe verzichtet werden kann.

Schließlich kann ein ein variables Volumen aufweisender Behälter (von ähnlicher Konstruktion wie der Behälter 60) in die Niederdruckleitung 18 eingebaut werden kann, um einen Teil der Umlaufschleife L zu bilden. Ein solcher Behälter kann alternativ oder zusätzlich zum Einbau des Behälters 60 vorgesehen werden.

Claims (10)

1. Hydrauliksystem mit einer Umlaufströmungsschlei­ fe, die eine Hydraulikpumpe und ein über eine Hoch­ druckzuführungs- und eine Niederdruckrückführungs­ leitung in Flüssigkeitsverbindung stehendes Betäti­ gungselement einschließt, wobei das System weiter­ hin einen Luftabscheider in Flüssigkeitsverbindung mit der Niederdruckleitung einschließt, um Luft aus der durch die Umlaufschleife strömenden Hydraulik­ flüssigkeit zu entfernen, wobei der Luftabscheider ei­ nen Hohlkörper mit einer Einlaßöffnung, durch die Hydraulikflüssigkeit in den Körper gelangt, und ei­ ner Auslaßöffnung, durch die Hydraulikflüssigkeit aus dem Körper austritt, wobei die Flüssigkeits­ strömung zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung einen Teil der Umlaufschleife bildet, sowie ein in­ nerhalb des Körpers angeordnetes Strömungsum­ lenkmittel einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsumlenkmittel (39) einen Anteil der zwischen der Einlaßöffnung (32) und der Auslaßöff­ nung (33) strömenden Flüssigkeit umlenkt, wobei das Strömungsumlenkmittel (39) einen separaten Flüssigkeitsströ­ mungsweg (41) schafft, so daß der Anteil der Flüs­ sigkeit zu einem Luftentfernungsbereich (44) inner­ halb des Körpers (31) strömt und sich dann wieder mit der zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung (32, 33) strömenden Flüssigkeit vereint, und das Strömungsum­ lenkmittel (39) einen Unterdruck und verringerte Strömungsgeschwindigkeit in dem Luftentfernungsbereich (44) hervorruft.

2. Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen ein variables Volumen aufweisenden Behälter (60) in Flüssigkeitsverbindung mit der Niederdruckrückfüh­ rungsleitung (18) einschließt, um ein Puffervolumen zu definieren, mit dem Zunahmen oder Abnahmen des Volumens der Hydraulikflüssigkeit innerhalb des Sy­ stems aufgenommen werden können.

3. Hydrauliksystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ein variables Volumen aufweisende Behälter (60) von einem Schlauch (62) mit einer flexiblen Wand definiert wird, die so gebildet ist, daß sich das Volumen des Schlauches als Reaktion auf Änderungen des Volumens der Hydraulikflüssig­ keit innerhalb des Systems ausdehnen oder zusammen­ ziehen kann.

4. Hydrauliksystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flexible Wand so gebildet ist, daß sie nicht gestreckt werden kann.

5. Hydrauliksystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter (60) in Flüssigkeitsverbindung mit der Niederdruckrückfüh­ rungsleitung (18) steht, um einen Abschnitt der Um­ laufschleife zu bilden.

6. Hydrauliksystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter (60) über eine Abzweigverbindung in Flüssigkeitsverbindung mit der Niederdruckrückführungsleitung (18) steht, so daß eine Abtrennung von der Umlaufschleife mög­ lich ist.

7. Hydrauliksystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abzweigverbindung von dem Luftabscheider (30) definiert wird.

8. Hydrauliksystem nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (31) eine mit dem Luftentfernungsbereich (44) in Verbindung stehende Flüssigkeitsverbindungsöffnung (34) einschließt, durch die aus der Hydraulikflüs­ sigkeit abgeschiedene Luft aus dem Körper (31) aus­ tritt.

9. Hydrauliksystem nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der ein variables Volumen aufweisende Behälter (60) so mit der Flüssigkeitsverbindungs­ öffnung (34) verbunden ist, daß innerhalb des Be­ hälters (60) enthaltene Hydraulikflüssigkeit über den Luftabscheider (30) in die Umlaufschleife hinein- und daraus herausströmen kann.

10. Luftabscheider für ein Hydrauliksystem, wobei der Luftabscheider einen Hohlkörper mit einer Einlaß­ öffnung, durch die Hydraulikflüssigkeit in den Kör­ per gelangt, und einer Auslaßöffnung, durch die Hy­ draulikflüssigkeit aus dem Körper austritt, sowie ein innerhalb des Körpers angeordnetes Strömungsum­ lenkmittel einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsumlenkmittel (39) einen Anteil der zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung strömen­ den Flüssigkeit umlenkt, wobei das Umlenkmittel (39) einen separaten Flüssigkeitsströmungsweg (41) schafft, so daß der Anteil der Flüssigkeit zu einem Luftentfer­ nungsbereich (44) innerhalb des Körpers (31) strömt und sich dann wieder mit der zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung (32, 33) strömenden Flüssig­ keit vereint, wobei der Körper (31) weiterhin eine Flüssigkeitsverbindungsöffnung einschließt, die mit dem Luftentfernungsbereich (44) in Verbindung steht, so daß aus der Hydraulikflüssigkeit abge­ schiedene Luft aus dem Körper (31) austreten kann.