DE19961851A1 - Pulsationsfreie Radialkolbenpumpe insbesondere für geregelte Bremssysteme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe (6) für geregelte Bremssysteme. Um Pulsationen im Fördervolumenstrom dieser Pumpe (6) zu verhindern wird vorgeschlagen, daß die mindestens drei Kolben (9) der Pumpe mit einem speziellen Kolbenhubprofil derart drehwinkelabhängig gesteuert werden, daß der Summenwert der Ansaugvolumenströme aller Kolben nur von der Rotationsgeschwindigkeit des Pumpantriebs, nicht aber von der momentanen Phasenlage des Pumpenantriebs abhängt. Insbesondere resultiert daraus bei konstanter Pumpenantriebsgeschwindigkeit ein im Rahmen der erzielbaren Fertigungsgenauigkeiten exakt konstanter, pulsationsfreier Fördervolumenstrom der Pumpe.

Description

Bei geregelten Bremssystemen erfährt das Problem der Ge­ räuschbekämpfung in den letzten Jahren wachsende Bedeutung. Dies resultiert u. a. auch daher, daß derartige Systeme auch dann wirksam werden, wenn wie beispielsweise bei ESP die Bremsen eines Fahrzeugs selbsttätig betätigt werden, ohne daß der Fahrer diesen Vorgang durch Bedienen des Bremspe­ dals ausgelöst hätte. Das Anlaufen einer Geräusche verursa­ chenden Pumpe ohne für den Fahrer erkennbaren Grund kann diesen beunruhigen und von einer konzentrierten Bedienung seines Fahrzeugs ablenken und unter Umständen gar zu Pa­ nikreaktionen führen.

Als Maßnahme zur Bekämpfung von Pumpengeräuschen ist be­ kannt geworden, die Anzahl der Pumpenkolben von ein oder zwei Kolben auf fünf und mehr Kolben zu erhöhen. Auf diese Weise wird bei gleicher Pumpleistung die Höhe der Druck­ schwankungen vermindert und gleichzeitig die Frequenz der Pumpenschwankungen erhöht, was zu einer Verstetigung des dann schwächeren Geräusches führt. Eine derartige Pumpe ist in der DE-OS 24 36 627 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung geht daher aus von einer Kolben­ pumpe der sich aus dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erge­ benden Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ge­ räuschbekämpfung durch andere Mittel als eine möglichst ho­ he Anzahl von Pumpenkolben zu erreichen. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die sich aus dem kennzeichnen­ den Teil des Hauptanspruchs ergebende Merkmalskombination. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, ein Kolbenbe­ wegungsprofil anzugeben, das bei geeignet phasenversetzter Anwendung auf die einzelnen Kolben der Pumpe einen Summen­ wert der Ansaugvolumenströme aller Kolben ergibt, der nur von der Rotationsgeschwindigkeit des Pumpenantriebs, nicht aber von der momentanen Phasenlage des Pumpenantriebs ab­ hängt. Insbesondere resultiert daraus bei konstanter Pum­ penantriebsgeschwindigkeit ein im Rahmen der erzielbaren Fertigungsgenauigkeiten exakt konstanter, pulsationsfreier Fördervolumenstrom der Pumpe.

Somit löst die Erfindung die gestellte Aufgabe vollständig, während die im Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen nur eine graduelle Verbesserung erreichen können, da trotz größerer Kolbenzahl ein bestenfalls annähernd gleichblei­ benden Summenwert erzielt werden kann.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist nicht nur hinsichtlich des Fördervolumenstroms, sondern auch hinsichtlich des Ansaug­ volumenstroms anwendbar. Will man also auch den Ansaugvolu­ menstrom pulsationsfrei halten, so empfiehlt sich in Wei­ terbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach An­ spruch 2. Ein konstanter Ansaugvolumenstrom zusammen mit einem konstanten Fördervolumenstrom bei konstanter An­ triebsgeschwindigkeit hat zur Folge, daß das innerhalb der Pumpe befindliche Fluid stets dasselbe zeitlich konstante Volumen einnimmt, obwohl die einzelnen Kolbenvolumina sich ständig ändern, selbst wenn die Pumpe mit nicht konstanter Antriebsgeschwindigkeit betrieben wird. Somit hat eine er­ findungsgemäße Pumpe die vorteilhafte Eigenschaft, daß in allen, insbesondere auch in nicht stationären Betriebsbe­ dingungen der Ansaugvolumenstrom gleich dem Fördervolumen­ strom ist.

Eine Kolbenpumpe nach dem Stand der Technik entnimmt dage­ gen dem angeschlossenen Hydrauliksystem beim Ansaugen ein Fluidvolumen und stößt ein entsprechendes Volumen zeitver­ setzt ab. Eine solche Pumpe erzeugt daher selbst im Bereit­ schafts-Betriebsmodus von ESP, während dem Eingang und Ausgang der Pumpe über Ventile miteinander verbunden werden und die Pumpe in einem geschlossenen hydraulischen Kreis fördert, Pulsationen. Die erfindungsgemäße Pumpe kann dage­ gen konstruktionsbedingt überhaupt keine Pulsationen erzeu­ gen, außer solchen, die durch Ungleichförmigkeiten in der Bewegung des Pumpenantriebs verursacht werden. Diese kommen aber bedingt durch die vergleichsweise hohe Rotationsträg­ heit des üblicherweise zum Antrieb verwendeten Elektromo­ tors praktisch nicht vor.

Einen besonders einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Pum­ pe erhält man durch Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 3. Danach werden die Pumpen zyklisch nacheinander durch ein einzelnes Getriebe angesteuert, das das erfin­ dungsgemäße Kolbenhubprofil in der jeweiligen Phasenlage für alle Kolben der Pumpe erzeugt, wobei die Pumpenkolben im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen und vor­ zugsweise sternförmig angeordnet werden.

Eine bevorzugte Form der Ausführung des Kolbenhubgetriebes ist eine rotierende Kurvenscheibe, wobei sich die korrekte Phasenlage der einzelnen Kolbenhübe durch die sternförmige Anordnung der Kolben in gleichen Winkelabständen ergibt.

Mehrere erfindungsgemäße Kolbenpumpen können gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 zu einer Pumpeneinheit zusammen­ gefaßt werden, die von einem gemeinsamen rotatorischen An­ trieb bedient werden. Dabei ist es besonders günstig, die Kolben aller Pumpen in eine Ebene zu packen und den rotato­ rischen Antrieb über ein gemeinsames Getriebe auf alle Pum­ penkolben wirken zu lassen. So ist beispielsweise die für hydraulische Bremssysteme erforderliche Trennung in zwei getrennte Bremskreise realisierbar, indem zwei erfindungs­ gemäße Pumpen mit je drei Kolben gemeinsam angetrieben wer­ den. Dabei sind die insgesamt 6 Pumpenkolben derart ge­ schaltet, daß sie in Drehrichtung der Pumpe abwechselnd ei­ nem der beiden Pumpenkreise fest zugeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 die Fördervolumina einzelner Kolben über dem Dreh­ winkel einer Pumpe mit drei Kolben, wobei die je­ weiligen Fördervolumina der einzelnen Kolben unter­ einander dargestellt sind,

Fig. 2 einen geeigneten Kolbenhub in Abhängigkeit von dem Drehwinkel zur Erzeugung der Fördervolumina nach Fig. 1,

Fig. 3 bis 6 verschiedene Konturen von Kurvenscheiben zum Her­ beiführen der in Fig. 1 gezeigten Fördervolumina,

Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe mit drei Kolben und

Fig. 8 den Aufbau einer Anordnung aus zwei erfindungsgemä­ ßen Kolbenpumpen mit je drei Kolben, bei dem die insgesamt 6 Kolben in einer Ebene angeordnet sind.

Die Erfindung ist eine Weiterbildung der an sich bekannten Kolbenpumpe und löst die Aufgabe, die Volumenstrompulsatio­ nen solcher Kolbenpumpen zu eliminieren. Während in der Fachliteratur als Maßnahme zur Minderung der Pulsationen vorgeschlagen wird, die Anzahl der Kolben zu erhöhen, kön­ nen die Pulsationen durch Anwendung der Erfindung bereits bei Pumpen mit nur drei oder vier Kolben vollständig ver­ mieden werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht in der Vorgabe einer geeig­ neteren Bewegungsform als die üblicherweise verwendeten rein sinusförmigen Kolbenhübe.

Zur Bestimmung der entsprechenden, Pulsationen vermeidenden Kolbenbewegung für eine 3-Kolben-Pumpe wird gemäß Fig. 7 von einem rotatorischen Antrieb ausgegangen, der die drei Kolben (9) mit dem gleichen, aber jeweils um 120 Grad pha­ senversetzten Bewegungsprofil antreibt. Pro 360 Grad Umdre­ hung des Antriebs soll ein Kolben (9) einmal ansaugen und einmal fördern. Dies entspricht einem steigenden und einem fallenden Abschnitt des Kolbenbewegungsprofils in Fig. 2. Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit des Pumpenantriebs ist der Fördervolumenstrom proportional zur Anstieg, der An­ saugvolumenstrom proportional zum Abfall des Bewegungspro­ fils. Vorgeschlagen wird der in Fig. 1 dargestellte Verlauf der drei Profilsteigungen. Summieren der drei aufsteigend schraffierten Fördervolumenströme ergibt den konstanten Ge­ samt-Fördervolumenstrom und Summieren der drei abfallend schraffierten Ansaugvolumenströme den ebenso konstanten An­ saugvolumenstrom. Dabei wechseln sich jeweils 60 Grad- Pha­ sen, in denen nur einer der drei Kolben fördert, ab mit 60 Grad- Phasen in denen zwei Kolben ihre zeitlich veränderli­ chen Volumenströme zu dem in der Summe konstanten Gesamtvo­ lumenstrom beitragen. Das gleiche gilt für die Ansaugvolu­ menströme. Da Eingangs- und Ausgangsvolumenstrom gleich und proportional zur Antriebsgeschwindigkeit sind, ist die Vo­ lumenbilanz der erfindungsgemäßen Pumpe ausgeglichen in dem Sinne, daß sich zu jedem Zeitpunkt dieselbe Flüssigkeits­ menge innerhalb der Pumpe befindet. Insbesondere kann daher im Gegensatz zur bekannten ESP-Pumpe bei eingangsseitiger Druckbeaufschlagung keine unerwünschte Volumenaufnahme stattfinden. Die waagerechten Kurvenabschnitte, in denen der betreffende Kolben alleine fördert sind durch die An­ forderung eines konstanten Gesamtvolumenstroms festgelegt. Dagegen können die Abschnitte, in denen sich je zwei Teil­ volumenströme summieren noch variiert werden. Beispielswei­ se könnten die geschwungenen Kurven durch ansteigende bzw. abfallende Geraden ersetzt werden. Dies hätte jedoch den Nachteil, daß der Volumenstrom plötzlich einsetzt wodurch die Pumpenventile Geräusche abgeben. Daher wird die in Fig. 1 dargestellte Kurvenform bevorzugt. Die für die vorgegebe­ nen Fördervolumenströme erforderlichen Kolbenbewegungen er­ geben sich durch Integration über die Zeit. Fig. 2 zeigt exemplarisch den Kolbenweg über dem Antriebswinkel für den in Fig. 1 ganz oben dargestellten Volumenstromverlauf. Die waagerechten Abschnitte der Kurve in Fig. 1 ergeben Ab­ schnitte konstanter Steigung in Fig. 2. Die Wege der ande­ ren beiden Kolben ergeben die gleiche, jedoch phasenver­ setzte Kurve.

Es bleibt die Aufgabe, die Drehbewegung einer Pumpenan­ triebswelle in die oben ermittelte Kolbenbewegung zu wan­ deln. Dies kann durch einen Nocken geschehen, der eine auf einen Grundkreis abgewickelte Kontur gemäß der in Fig. 2 gezeigten Kurve besitzt. Fig. 3 bis 6 zeigen vier ver­ schiedene Grundkreise und die zugehörigen Nockenkonturen.

Fig. 7 zeigt eine mögliche Bauform der erfindungsgemäßen Pumpe. Die Form des Antriebsnockens ergibt sich durch ra­ diale Streckung des Grundkreises mit der in Fig. 2 darge­ stellten erfindungsgemäßen Kolbenhub-Funktion. Um den ent­ sprechenden Hub dann auch tatsächlich zu erzielen muß der Nocken wie angedeutet an Berührpunkten (8) abgetastet wer­ den, die auf den Mittellinien der Kolben liegen. Bei der technisch praktikableren Abtastung durch ein stumpfes Ende des Kolbens wandert der Berührpunkt senkrecht zur Kolbenach­ se. Daher muß in diesem Falle einen entsprechend modifi­ zierte Nockenkontur zum Einsatz kommen. Die Berechnung liegt im Bereich des Könnens eines Durchschnittsfachmanns und wird deswegen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht durchgeführt.

Fig. 8 zeigt, wie sechs vom gleichen Getriebe betätigte Kolben (14) so gruppiert werden können, daß zwei voneinan­ der getrennte, pulsationsfreie Pumpenkreise entstehen.

Auch in einer Pumpe mit vier Kolben können diese analog zu dem oben gesagten so angetrieben werden, daß keine Pulsa­ tionen entstehen - das ist sogar einfacher zu erreichen als mit drei Kolben. Da aber wie gezeigt drei Kolben bereits genügen, um alle Pulsationen vollständig zu eliminieren wird das Ergebnis dieser Berechnungen hier nicht gezeigt. Zum technischen Vorteil der Erfindung läßt sich sagen: Die Kolbenpumpe als kostengünstigste Pumpenbauform hatte bisher den Nachteil der Volumenstrom-Pulsationen mit den damit verbundenen Problemen wie z. B. der Geräuschentwick­ lung. Dieser Nachteil wird durch die Erfindung mit einfa­ chen Mitteln behoben.

Eine speziell konstruiertes Bewegungsprofil ersetzt die bisher in Kolbenpumpen übliche rein sinusförmigen Kolbenbe­ wegung. Diese Bewegung wird allen Kolben einer Pumpe pha­ senversetzt aufgeprägt. Zur Erzielung pulsationsfreier An­ saug- und Fördervolumenströme sind mindestens drei Kolben notwendig.

Claims (8)

1. Kolbenpumpe (6) mit rotatorischem Antrieb (4, 7) und drei beziehungsweise vier Kolben (7, 14) gleicher Geo­ metrie, die alle mit dem gleichen um jeweils 120 be­ ziehungsweise 90 Grad zum nächsten Kolben phasenver­ setzten Bewegungsprofil zyklisch angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungsprofil (Fig. 1 bis Fig. 6) derart gestaltet ist, daß der Summenwert der Fördervolumenströme aller Kolben prinzipiell nur von der Rotationsgeschwindigkeit des Pumpenantriebs, nicht aber von der momentanen Phasenlage des Pumpenan­ triebs abhängt.

2. Kolbenpumpe (6) mit rotatorischem Antrieb und drei be­ ziehungsweise vier Kolben (9) gleicher Geometrie, die alle mit dem gleichen um jeweils 120 beziehungsweise 90 Grad zum nächsten Kolben phasenversetzten Bewe­ gungsprofil zyklisch angesteuert werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bewegungsprofil derart gestaltet ist, daß der Summenwert der Ansaugvolumenströme aller Kolben prinzipiell nur von der Rotationsgeschwindig­ keit des Pumpenantriebs, nicht aber von der momentanen Phasenlage des Pumpenantriebs abhängt.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolben (9, 14) in einer Ebene stern­ förmig radial zur Achse des Antriebs angeordnet sind.

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rotatorische Antrieb die drei beziehungsweise vier Kolben der Pumpe über eine Kurvenscheibe (7, 12) antreibt.

5. Kolbenpumpen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß rotatorischen Antrieb (4, 7) mehr als eine Pumpe antreibt.

6. Kolbenpumpen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rotatorische Antrieb die mehr als eine Pumpe über eine gemeinsam genutzte Kurvenscheibe antreibt.

7. Kolbenpumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem geregelten Bremssystem eingesetzt ist.

8. Radialkolbenpumpe mit mehr als zwei Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Exzenters (5, 7, 12) der Kolbenhub (Fig. 2) derart drehwinkelabhängig ge­ steuert wird, daß die Summe der Fördervolumenströme aller Kolben einen annähernd gleichbleibenden Summen­ wert ergibt.