DE19648408A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine insbesondere als Rückförderpumpe für eine blockierschutzgeregelte Fahrzeugbremsanlage vorgesehene Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Anspruchs 1.

Derartige Kolbenpumpen mit einem in einem Zylinder zu einer hin- und hergehenden Hubbewegung antreibbaren Kolben sind bekannt. Als Auslaßventil weisen die bekannten Kolbenpumpen ein federbelastetes Rückschlagventil auf, das koaxial zum Kolben auf einer dem Kolben abgewandten Seite eines vom Kolben und dem Zylinder umschlossenen Verdrängungsraums angeordnet ist. Ein Ventilschließkörper sowie eine Schraubendruckfeder als Schließfederelement des Auslaßventils sind in einer als Sackloch ausgebildeten Ventilkammer aufgenommen, die sich in Verlängerung des Verdrängungsraums auf einer dem Kolben abgewandten Seite an einen Ventilsitz des Auslaßventils anschließt.

Das Auslaßventil derartiger Kolbenpumpen verursacht Geräusche beim Durchströmen von Fluid. Als Verursacher werden hauptsächlich zwei Geräuschquellen angesehen, nämlich zum einen mechanische Stöße des Ventilschließkörpers gegen die Umfangswand der Ventilkammer und zum anderen Geräusche durch Druckpulsation des Fluids. Eine Strömung um den Ventilschließkörper des geöffneten Auslaßventils ist turbulent und lenkt infolgedessen den Ventilschließkörper undefiniert in radialer Richtung aus, so daß dieser gegen die Umfangswand der Ventilkammer stößt.

Um diese Geräuschquelle auszuschalten oder zumindest die Geräuscherzeugung zu vermindern, ist bei einer aus der EP 0 446 454 A1 bekannten Kolbenpumpe eine Auslaßöffnung in einer Umfangswand der Ventilkammer, also radial, und unmittelbar an einem Ventilsitz angeordnet. Dies soll bewirken, daß eine Ventildurchströmung den Ventilschließkörper im Bereich der Auslaßöffnung vom Ventilsitz abhebt, wogegen der Ventil­ schließkörper auf der gegenüberliegenden Seite auch bei geöffnetem Auslaßventil auf dem Ventilsitz aufliegt. Der Ventilschließkörper soll in eine stabile Öffnungsstellung gelangen und nicht gegen die Umfangswand der Ventilkammer schlagen. Ist der Ventilschließkörper eine Ventilkugel, ist die Auslaßöffnung zwischen einem Äquator der Ventilkugel und dem Ventilsitz angeordnet. Die Ventilkugel wird von der Ventildurchströmung, die im Bereich der Auslaßöffnung zwischen der Ventilkugel und dem Ventilsitz hindurch und weiter radial in die Auslaßöffnung strömt, seitlich von der Auslaßöffnung weg gegen die Umfangswand der Ventilkammer gedrückt, wo sie eine stabile Öffnungsstellung einnehmen soll.

Jedoch reicht diese Maßnahme nicht aus und es wird die zweite wesentliche Geräuschquelle nicht bekämpft, nämlich die Druckpulsation: Beim Öffnen des Auslaßventils wird dessen Ventilschließkörper in Öffnungsrichtung beschleunigt, der Druck im Verdrängungsraum steigt auf einen Wert an, der dem Druck in der Ventilkammer und der Kraft des Schließfederelements das Gleichgewicht hält und zusätzlich die Beschleunigung des Ventilschließkörpers bewirkt. Es entsteht eine Druckspitze im Verdrängungsraum, die sich beim Abheben des Ventilschließkörpers vom Ventilsitz in die Ventilkammer fortpflanzt, an deren Grund reflektiert wird und anschließend den Ventilschließkörper in Schließrichtung beaufschlagt. Es entsteht eine Druckpulsation mit hoher Frequenz, die üblicherweise schnell abklingt, jedoch erhebliche Geräusche verursacht und die Kolbenpumpe sowie mit ihrem Auslaßkanal kommunizierende hydraulische Bauteile mechanisch belastet. Desweiteren wirkt die Druckpulsation destabilisierend auf den Ventilschließkörper, lenkt diesen also aus, was wiederum zur Geräuschbildung durch mechanische Stöße führt. Da die Druckpulsation unmittelbar nach dem Öffnen des Auslaßventils auftritt, trifft sie den Ventilschließkörper in einer kritischen Phase bevor dieser seine stabile Öffnungsstellung einnimmt. Weiterhin hat die Beschleunigung des Ventilschließkörpers zur Folge, daß dieser sich zunächst über seine stabile Öffnungsstellung hinweg- und anschließend wieder zurück in Richtung des Ventilsitzes bewegt, d. h. der Ventilschließkörper führt nach dem öffnen eine abklingende Schwingung um seine Öffnungsstellung aus.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine Entlastungsöffnung in der Ventilkammer auf, die weiter vom Ventilsitz entfernt ist als die Auslaßöffnung und die, ebenso wie die Auslaßöffnung, mit einem Pumpenauslaß kommuniziert. Vorzugsweise ist die Entlastungsöffnung auf einer dem Ventilsitz abgewandten Seite des Ventilschließkörpers angeordnet (Anspruch 4), sie befindet sich beispielsweise nahe eines Grundes der Ventilkammer. Die Entlastungsöffnung bringt den Vorteil, daß sich die beim Abheben des Ventilschließkörpers vom Ventilsitz in die Ventilkammer fortpflanzende Druckspitze durch die Entlastungsöffnung abbaut, so daß sie nicht oder allenfalls stark abgeschwächt reflektiert wird. Eine Amplitude der Druckpulsation wird auf einen Bruchteil verringert, die Druckpulsation klingt in kürzerster Zeit ab. Weiterer Vorteil ist, daß die erheblich abgeschwächt reflektierte Druckspitze den Ventilschließkörper nur schwach in Richtung des Ventilsitzes zurück drückt, diesen also nicht zu einer Schwingung um seine Öffnungsstellung anregt.

Die Umströmung des Ventilschließkörpers in die Entlastungsöffnung und in die Auslaßöffnung bewegen den Ventilschließkörper in Richtung zur Auslaßöffnung, und nicht, wie bei der bekannten Kolbenpumpe, auf die gegenüberliegende Seite. Dabei stabilisiert die Umströmung den Ventilschließ­ körper in seiner Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung. Die Geometrie der Ventilkammer und des Ventilschließkörpers und die Anordnung der Auslaßöffnung verhindern, daß der Ventilschließkörper die Auslaßöffnung verschließt. Der Ventilschließkörper liegt beispielsweise an zwei Punkten oberhalb und unterhalb der Auslaßöffnung sowie an einem weiteren Punkt im Seitenbereich der Auslaßöffnung an der Umfangswand der Ventilkammer an, wobei ein Durchström­ querschnitt verbleibt. Eine Drosselwirkung des Ventilschließ­ körpers wird kompensiert durch die zusätzlich vorhandene Entlastungsöffnung.

Da der Ventilschließkörper beim öffnen Fluid aus der Ventilkammer durch die Entlastungsöffnung verdrängt, ist der Widerstand des Ventilschließkörpers gegen das Öffnen geringer, so daß bereits die zum Abheben des Ventilschließ­ körpers vom Ventilsitz sich im Verdrängungsraum aufbauende Druckspitze verringert ist. Desweiteren bildet die Ventilkammer mit der als Drossel wirkenden Entlastungsöffnung ein dynamisches Dämpfungselement, das die Bewegung des Ventilschließkörpers geschwindigkeitsabhängig dämpft und dadurch einer Schwingung des Ventilschließkörpers um seine stabile Öffnungsstellung entgegen wirkt. Der Ventilschließ­ körper des Auslaßventils der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe nimmt die stabile Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung schneller ein.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegeben Erfindung zum Gegenstand.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe gemäß Anspruch 6 weist eine Ventilhubbegrenzung für den Ventilschließkörper des Auslaßventils auf. Diese begrenzt den Öffnungshub des Ventilschließkörpers so, daß sich dieser nicht oder nur wenig über seine stabile Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung hinweg vom Ventilsitz entfernen kann. Dies verhindert zunächst eine Schwingungsanregung des Ventil­ schließkörpers durch Überschwingen über die stabile Öffnungsstellung, so daß der Ventilschließkörper innerhalb kürzester Zeit die stabile Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung einnimmt. Weiterer Vorteil ist, daß das das Auslaßventil schließende Federelement schwächer vorgespannt werden kann, da es nicht zur Ventilhubbegrenzung, sondern ausschließlich zum Schließen des Auslaßventils dient. Dies hat den Vorteil einer erhöhten Dynamik des Auslaßventils, d. h. das Auslaßventil öffnet bei geringerer Druckdifferenz zwischen Verdrängungsraum und Ventilkammer und es öffnet schneller. Noch ein Vorteil des frühen Öffnens des Auslaßventils ist, daß sich die sich im Verdrängungsraum zum Abheben des Ventilschließkörpers vom Ventilsitz aufbauende Druckspitze weiter verkleinert.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe im Achsschnitt; und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Kolbenpumpe aus Fig. 1 im Bereich ihres Ventilschließkörpers bei geöffnetem Auslaßventil.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in der Zeichnung dargestellte, erfindungsgemäße Kolbenpumpe 10 hat ein Pumpenelement. Dieses weist einen Kolben 12 auf, der in einem Zylinder 14 verschiebbar aufgenommen ist. Die Kolbenpumpe ist als Rückförderpumpe für eine blockierschutzgeregelte, nicht dargestellte Fahrzeug­ bremsanlage vorgesehen, ihr Zylinder 14 ist zum Einsetzen in eine Aufnahmebohrung eines nicht dargestellten Pumpengehäuses bzw. Hydraulikblocks ausgebildet. In dem Pumpengehäuse bzw. Hydraulikblock ist ein an dem Kolben 12 angreifender Exzenter 18 eines nicht dargestellten Pumpenantriebs vorgesehen. Der Exzenter 18 dient zum Antreiben des Kolbens 12, d. h. für die hin- und hergehende Verschiebung des Kolbens 12 im Zylinder 14. In dem Pumpengehäuse können mehrere, vorzugsweise zwei einander gegenüberliegend angeordnete, von dem Exzenter 18 angetriebene Pumpenelemente 10 vorgesehen sein.

In den Kolben 12 ist ein federbelastetes Rückschlagventil als Einlaßventil 20 integriert: der Kolben 12 weist eine axiale Sackbohrung 22 auf, die von einer dem Exzenter 18 abgewandten Stirnseite her im Kolben 12 angebracht ist. Nahe eines Grundes der Sackbohrung 22 sind Querbohrungen 24 im Kolben 12 angebracht, die als Pumpeneinlaß dienen. Die Sackbohrung 22 weist eine Ringstufe in ihrem Mittelbereich auf, die mit einem konischen Ventilsitz 26 für das Einlaßventil 20 versehen ist. Eine Schraubendruckfeder 28, die sich gegen eine mehrfach gelochte Blechstützkappe 30, welche auf einer Stirnseite auf den Kolben 12 aufgeklipst ist, abstützt, drückt einen näherungsweise zylindrischen, eine Kalotte 34 als Dichtfläche aufweisende Ventilschließkörper 32 aus Kunststoff gegen den Ventilsitz 26. An seinem Umfang weist der Ventilschließkörper 32 Längsrippen 36 auf, mit denen er in der Sackbohrung 22 des Kolbens 12 geführt ist.

Ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Auslaßventil 38 ist in Verlängerung des Kolbens 12 auf dessen dem Exzenter 18 abgewandter Stirnseite in einer Sackbohrung 40 des Zylinders 14 untergebracht: in die Sackbohrung 40 ist ein Ventilkammertopf 42 aus Kunststoff eingesetzt. Dieser weist die Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders auf, dessen Innenraum eine Ventilkammer 44 bildet. Die Ventilkammer 44 erweitert sich in Richtung des Kolbens 12 mit einem Konus 46. Der Ventilkammertopf 42 ist auf einen Bund 48 eines Ventilsitzteils 50 aus Stahl geklipst, das in eine Ringstufe an einer dem Kolben 12 zugewandten Mündung der das Auslaßventil 38 auf nehmenden Sackbohrung 40 eingesetzt und dort verstemmt ist. Das Ventilsitzteil 50 ist mit einer axialen Durchgangsbohrung 52 versehen, die mit einem konischen, gehärteten Ventilsitz 54 in die Ventilkammer 44 mündet.

Im Raum zwischen dem Ventilsitz 54 und dem Konus 46 des Ventilkammertopfs 42 ist eine als Ventilschließkörper dienende Ventilkugel 56 mit Spiel in axialer- und in radialer Richtung aufgenommen. Der Konus 46 des Ventilkammertopfs 42 bildet eine Ventilhubbegrenzung 46, die einen Öffnungshub der Ventilkugel 56 begrenzt. Im Konus 46 können beispielsweise nicht dargestellte Nuten angebracht sein, die eine Durchströmung zwischen Ventilkugel 56 und dem Konus 46 auch dann ermöglichen, wenn die Ventilkugel 56 an dem die Ventilhubbegrenzung bildenden Konus 46 anliegt. In die Ventilkammer 44 ist als Schließferderelement eine Schraubendruckfeder 58 eingesetzt, die die Ventilkugel 56 des Auslaßventils 38 gegen den Ventilsitz 54 drückt.

Zwischen dem Ventilkammertopf 42 und der das Auslaßventil 38 aufnehmenden Sackbohrung 40 im Zylinder 14 des erfindungs­ gemäßen Pumpenelements 10 befindet sich ein Mantelraum 60. In diesen Mantelraum 60 mündet ein durch eine Wand des Zylinders 14 gebohrter Auslaßkanal 62. Im Bereich zwischen dem die Ventilhubbegrenzung 46 bildenden Konus und dem Ventilsitz 54 des Auslaßventils 38 ist radial im Bereich eines Äquators der Ventilkugel 56 eine Bohrung als Auslaßöffnung 64 in einer Umfangswand des Ventilkammertopfs 42 angebracht. Im Bereich eines Grundes der Ventilkammer 44 ist eine weitere Radialbohrung als Entlastungsöffnung 66 in der Umfangswand des Ventilkammertopfs 42 angebracht. Auslaßöffnung 64 und Entlastungsöffnung 66 befinden sich in Umfangsrichtung an derselben Stelle, sie kommunizieren beide durch den Mantelraum 60 mit dem Auslaßkanal 62. Eine Querschnittsfläche der Auslaßöffnung 64 ist größer als eine Querschnittsfläche der Entlastungsöffnung 66. Die Entlastungsöffnung 66 kann beispielsweise auch als sich in Umfangsrichtung erstreckender Schlitz in der Umfangswand des Ventilkammertopfs 42 angebracht sein. Sie kann auch axial im Grund der Ventilkammer 44 münden wie es in der Zeichnung mit Strichlinien dargestellt ist. Sie ist auch bei dieser Ausbildung in der gleichen Achsschnittebene wie die Auslaßöffnung 64 angeordnet. Es können auch zwei oder mehr Entlastungsöffnungen vorgesehen werden, deren Gesamtquer­ schnitt kleiner, beispielsweise ungefähr halb so groß wie der Querschnitt der Auslaßöffnung 64 ist.

Wird der Kolben 12 während des Arbeitshubs in den Zylinder 14 hinein gedrückt, verdrängt er Fluid, im Falle der Verwendung der Kolbenpumpe als Rückförderpumpe Bremsflüssigkeit, aus einem im Zylinder 14 vom Kolben 12 eingeschlossenen Verdrängungsraum 68. Im Verdrängungsraum 68 baut sich ein Druck auf, der die Ventilkugel 56 vom Ventilsitz 54 abhebt, wenn er einen der Kraft der die Ventilkugel 56 schließenden Schraubendruckfeder 58 und dem Druck in der Ventilkammer 44 entsprechende Kraft übersteigt. Es bildet sich eine Fluidströmung aus dem Verdrängungsraum 68 um die Ventilkugel 56 herum in die Auslaßöffnung 64 und die Entlastungsöffnung 66 aus. Die Strömung durch die Auslaßöffnung 64 lenkt die Ventilkugel 56 radial in Richtung Auslaßöffnung 64 aus, wo sich diese abstützt und stabile Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung 64 einnimmt, wie sie in der Fig. 1 strichpunktiert und in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die Abstützung der Ventilkugel 56 im Mündungsbereich der Auslaß­ öffnung 64 und da während der Durchströmung des Auslaßventils 38 immer eine Kraftkomponente in Richtung der Auslaßöffnung auf die Ventilkugel 56 wirkt, ist deren Öffnungsstellung stabil, die Ventilkugel 56 schwingt nicht. Die Geometrie des Ventilsitzes 54 und des Konus 46 in Bezug auf die Ventilkugel 56 ist so gewählt, daß die Ventilkugel 56 in ihrer radial ausgelenkten Öffnungsstellung die Auslaßöffnung 64 nicht verschließt, so daß weiterhin die Ventilkugel 56 umströmendes Fluid durch die Auslaßöffnung 64 aus dem Auslaßventil 38 ausströmt. Diese Strömung hält die Ventilkugel 56 in ihrer stabilen Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung 64.

Die sich beim Abheben der Ventilkugel 56 vom Ventilsitz 54 ausbildende Umströmung der Ventilkugel 56 in Richtung der Auslaßöffnung 64, welche die Ventilkugel 56 radial in Richtung der Auslaßöffnung 64 auslenkt, verhindert, daß sich die Ventilkugel 56 beim Abheben vom Ventilsitz 54 ausschließlich axial gegen den die Ventilhubbegrenzung bildenden Konus 46 bewegt und dabei am Konus 46 die Ventilkammer 44 verschließt. Bei geöffnetem Auslaßventil 38 findet also immer eine Strömung sowohl durch die Auslaßöffnung 64 als auch durch die Entlastungsöffnung 66 statt, wobei die Strömung durch die Auslaßöffnung 64 die Ventilkugel 56 in der Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung 64 stabilisiert und wobei die Entlastungsöffnung 66 eine Druckpulsation in der Ventilkammer 44 unterbindet oder zumindest auf einen kleinen Wert begrenzt. Die Entlastungsöffnung 66 ermöglicht außerdem die Verdrängung von Fluid aus der Ventilkammer 44 beim Öffnen des Auslaßventils 38, beim dem die Ventilkugel 56 sich auch ein Stück in Richtung der Ventilkammer 44 bewegt. Die Entlastungsöffnung 66 erleichtert somit das Abheben der Ventilkugel 56 vom Ventilsitz 54 und dadurch das Öffnen des Auslaßventils 38. Weiterhin bewirkt die Entlastungsöffnung 66 einen vergrößerten Volumenstrom durch das Auslaßventil 38 bei gegebenem Druckgefälle.

Die Entlastungsöffnung 66 hat in axialer Richtung ausreichenden Abstand von der Auslaßöffnung 64, um die Umströmung der Ventilkugel 56 und die Strömung durch die Auslaßöffnung 64 nicht zu beeinflussen und die stabile Öffnungsstellung der Ventilkugel 56 vor der Auslaßöffnung 64 bei geöffnetem Auslaßventil 38 nicht zu beeinträchtigen. Die exzentrische Anordnung der Entlastungsöffnung 66 verhindert eine Wirbelbildung bei der Umströmung der Ventilkugel 56 mittelbar hinter der Ventilkugel 56 (auch Totwasser genannt) um örtliche Druckpulsation dort zu vermeiden, die zu einer Geräuschbildung führen würde und die stabile Öffnungsstellung der Ventilkugel 56 vor der Auslaßöffnung 46 beeinträchtigen könnte. Der größere Querschnitt der Auslaßöffnung 64 im Verhältnis zur Entlastungsöffnung 66 unterstützt die Stabilität der Öffnungsstellung der Ventilkugel 56 vor der Auslaßöffnung 64, indem er einen ausreichend großen Fluidstrom durch die Auslaßöffnung 64 sicherstellt.

Claims (10)

1. Kolbenpumpe, insbesondere Rückförderpumpe für eine blockierschutzgeregelte Fahrzeugbremsanlage, mit einem in einem Zylinder zu einer hin- und hergehenden Hubbewegung antreibbaren Kolben, mit einem als Rückschlagventil ausgebildeten Auslaßventil, das einen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper aufweist, der in einer Ventilkammer aufgenommen ist, die eine Auslaßöffnung in einem Umfangsbereich des Ventilschließkörpers aufweist, welche mit einem Pumpenauslaß kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (44) eine Entlastungsöffnung (66) aufweist, die in einer dem Ventilsitz (54) abgewandten Richtung von der Auslaßöffnung (64) in der Ventilkammer (44) angeordnet ist und die mit dem Pumpenauslaß (62) kommuniziert.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper eine Ventilkugel (56) ist.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsöffnung (66) mit radialem Abstand von einer Längsachse der Kolbenpumpe und in derselben Längsebene wie die Auslaßöffnung (64) in der Ventilkammer (44) angeordnet ist.

4. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsöffnung (66) auf einer dem Ventilsitz (54) abgewandten Seite des Ventilschließkörpers (56) angeordnet ist

5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenpumpe eine einzige Auslaßöffnung (64) aufweist.

6. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (38) eine Ventilhubbegrenzung (46) aufweist, die den Ventilschließkörper (56) im Bereich der Auslaßöffnung (64) hält.

7. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Querschnitt der Auslaßöffnung (64) größer als ein Querschnitt der Entlastungsöffnung (66) ist.

8. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (44) auf einer dem Ventilsitz (54) abgewandten Seite des Ventilschließkörpers (56) eine kleinere Querschnittsfläche hat als der Ventilschließkörper (56).

9. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenpumpe ein in den Kolben (12) integriertes Einlaßventil (20) aufweist.

10. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (56) bei durchströmtem Auslaßventil (38) ein stabile Öffnungsstellung vor der Auslaßöffnung (64) einnimmt, wobei ein freier Restquerschnitt verbleibt, durch den Fluid in die Auslaßöffnung (64) strömt.