DE3833653A1 - Hydrospeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hydrospeicher mit einem min­ destens zweiteiligen Gehäuse, das durch eine an ihrem umlau­ fenden Rand eingespannte, walkfähige Membran in einen Gasraum und einen Flüssigkeitsraum jeweils veränderlicher Größe unter­ teilt ist, der über einen Flüssigkeitsanschluß mit einem Hy­ drauliksystem verbunden ist, wobei der Gasraum einen aus­ schließlich der Gasspeicherung dienenden Raum umfaßt, der durch eine mit mindestens einer Überströmöffnung versehene, den Verstellweg der Membran begrenzende, starre Trennwand be­ grenzt ist.

Ein solcher Hydrospeicher ist aus der DE-OS 28 17 011 bekannt. Er dient insbesondere der Bereitstellung einer definierten Fe­ derkennlinie bei hydropneumatischen Fahrzeugfederungen. Die mit ihrem äußeren Rand an der Innenseite des Gehäuses einge­ spannte, walkfähige Membran nimmt in Abhängigkeit vom Druck­ verhältnis zwischen Flüssigkeitraum und Gasraum eine bestimmte Stellung innerhalb des Gehäuses des Hydrospeichers ein. Über­ steigt der Druck im Gasraum stark den Druck im Flüssigkeits­ raum, so legt sich die Membran mit einer Schließplatte an den Flüssigkeitsanschluß des Gehäuses an und verschließt diesen. Übersteigt andererseits der Druck im Flüssigkeitsraum stark den Druck im Gasraum, so bewegt sich die Membran soweit in Richtung auf den ausschließlich der Gasspeicherung dienenden Raum, bis die Schließplatte an der Überströmöffnung der Trenn­ wand anliegt und diese verschließt. Bei zwischen diesen Grenz­ werten liegenden Druckverhältnissen zwischen Flüssigkeitsraum und Gasraum nimmt die Membran eine entsprechende Zwischenstel­ lung innerhalb des Gehäuses an.

Nachteilig bei dem bekannten Hydrospeicher ist, daß, ebenso wie bei allen ähnlichen Hydrospeichern, Gasverluste aufgrund von Diffusionen durch die Membran hindurch nicht zu vermeiden sind. Bei der Diffusion wandern Gasmoleküle durch die Membran­ wand und treten auf der anderen Seite wieder aus. Dieser Vor­ gang erfolgt selbst bei einem hydrostatischen Gleichgewicht, d. h. wenn der Flüssigkeitsdruck ebenso hoch ist wie der Gas­ druck. Die Größe der Diffusion hängt von verschiedenen Parame­ tern ab. Es besteht eine progressive Abhängigkeit von der Tem­ peratur des Gases, eine lineare Abhängigkeit von der Membran­ fläche, von der Zeit und vom Partialdruck des Gases sowie eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit von der Dicke der Membran. Außerdem wird die Diffusion noch vom Werkstoff der Membran und vom verwendeten Füllgas beeinflußt. Versuche, ins­ besondere zur Temperaturabhängigkeit der Diffusion zeigten, daß, setzt man die Diffusion bei 20°C mit 100% an, diese bei einer Temperatur von 80°C auf 1500 bis 2000% ansteigt. Das bedeutet, daß im Laufe der Zeit der Gasdruck absinkt und der Hydrospeicher von Zeit zu Zeit gewartet werden muß oder funk­ tionsunfähig wird. Während bei Hydrospeichern mit großem Gas­ volumen dieser Vorgang kaum merkbar über lange Zeiträume er­ folgt, kann bei sehr kleinen Hydrospeichern der Abfall des Gasdruckes sehr schnell erfolgen. Dies erscheint zunächst wi­ dersinnig, da große Hydrospeicher pro Zeiteinheit eine größere Gasmenge verlieren als kleinere. Die Erklärung liegt darin, daß das Volumen eines Hydrospeichers in erster Näherung mit der dritten Potenz des Durchmessers wächst, die Membranfläche jedoch nur in der zweiten Potenz.

Wenn man davon ausgeht, daß die Umweltbedingungen wie Zeit, Druck und Temperatur festliegen, als Füllgas Stickstoff ver­ wendet wird und das Membranmaterial dem verwendeten Druck­ mittel angepaßt wird, bleiben zur Verringerung der Diffusion nur Variationen der Einflußgrößen Membrandicke und Membran­ fläche. Eine bekannte Lösung (DE-PS 11 86 285) zur Verbesse­ rung des Diffusionsverhaltens besitzt zwei verschiedene Trenn­ wände zwischen Gas und Druckmittel. Zumindest eine Trennwand ist verträglich mit dem Druckmittel, während die andere mög­ lichst undurchlässig sein soll. In der Praxis hat sich diese Lösung zumindest für Membranen nicht durchgesetzt, vermutlich weil das Walkverhalten nicht ausreichend war. Den gleichen Nachteil besitzen lokal verdickte Membranen oder aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen verklebte oder vulkanisierte Membranen (DE-OS 28 52 912).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hydrospeicher der eingangs genannten Art die Diffusion bei solchen Anwendungsfällen zu verringern, in denen ein Druckmit­ telvolumen über längere Zeit bereitgestellt, innerhalb einer kurzen Zeitspanne verbraucht und in einer ebenfalls kurzen Zeitspanne wieder in den Hydrospeicher eingefüllt wird. Dabei soll das Walkverhalten nicht negativ beeinflußt werden. Der Hydrospeicher soll einfach und billig herstellbar und für alle üblichen Membranwerkstoffe anwendbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennwand zugleich als Membranstütze zur un­ mittelbaren, gasnesterfreien Anlage der Membran ausgebildet ist und daß der im Gasraum einschließlich der durch Drucker­ höhung bei maximaler Betriebstemperatur herrschende Gasdruck, der in gewissen Zeitabständen innerhalb sehr kurzer Zeit eine vergleichsweise große Flüssigkeitsmenge für einen eine be­ grenzte Zeit beanspruchenden Betätigungsvorgang in das Hydrau­ liksystem fördert, kleiner als der zwischen diesen Betäti­ gungsvorgängen im Flüssigkeitsraum anstehende minimale Be­ triebsdruck im Hydrauliksystem ist.

Die Erfindung macht von der Beobachtung Gebrauch, daß flüssig­ keitsentleerte Hydrospeicher, deren Membran dadurch an der In­ nenseite des Gehäuses anliegt, nahezu keine Diffusionsverluste aufweisen. Die Erklärung liegt darin, daß zwar ein Durchtritt von Gas durch die Membran erfolgt, ein Übergang von der Mem­ bran in die aus Metall bestehende Gehäusewand aber nicht mög­ lich ist. Wenn nun die Membran dazu gebracht wird, an ihrer sonst dem Gasraum zugewandten Seite an einer Metallwand anzu­ liegen, wird der gasraumseitige Kontakt mit dem Gas unter­ brochen und eine Diffusion findet nicht mehr statt.

Voraussetzung dafür ist ein enges Anliegen der Membran ohne die Bildung gasgefüllter Ringräume oder "Gasnester". Auf diese Weise ist es auch bei Verwendung dünnwandiger Membranen mit entsprechend gutem Walkverhalten möglich, bei einem Hydro­ speicher, mit dem ein Druckmittelvolumen über längere Zeit be­ reitgestellt, innerhalb einer kurzen Zeitspanne verbraucht und in einer ebenfalls kurzen Zeitspanne wieder in den Hydro­ speicher eingefüllt wird, die Diffusion entscheidend zu ver­ ringern.

Da der im Gasraum herrschende Gasdruck, einschließlich seiner bei maximaler Betriebstemperatur eintretenden Druckerhöhung, erfindungsgemäß kleiner als der minimale Betriebsdruck im Hy­ drauliksystem ist, der zwischen den einzelnen Betätigungsvor­ gängen im Flüssigkeitsaum ansteht, liegt die Membran zwischen den einzelnen, nur eine begrenzte Zeit währenden Betätigungs­ vorgängen an der Trennwand. Hierdurch wird während der gegen­ über der aktiven Zeit überwiegenden Zeit des Ruhezustandes jegliche Diffusion vermieden, da die Membran in diesem Ruhezu­ stand gasnesterfrei an der Trennwand anliegt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Membran im Bereich des Flüssigkeitsanschlusses und/oder der Überströmöff­ nung mit einer gasdichten Schließplatte versehen. Auf diese Weise findet selbst im Bereich der Überströmöffnung nur eine äußerst geringe Diffusion statt.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennwand mittig mit einer Mehrzahl kleinerer Überströmöffnungen versehen, wo­ durch sich die Stabilität der die Membran stützenden Trennwand erhöht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der zwischen den Betätigungsvorgängen im Flüssigkeitsraum anstehende mini­ male Betriebsdruck auf einen Wert begrenzt, der etwa 10 bis 20 bar, vorzugsweise 15 bar höher liegt als der gleichzeitig wir­ kende Gasdruck. Auf diese Weise ist ein sicheres Anliegen der Membran an der Trennwand in jedem Falle sichergestellt.

Der Hydrospeicher ist einfach und preiswert herstellbar, wenn die Trennwand einerseits zur Einspannung eines wulstförmig verdickten Membranrandes gegenüber dem Gehäuse und anderer­ seits zur Zentrierung zweier Gehäuseteile sowie als Schweißun­ terlage für die Schweißung der beiden Gehäuseteile dient.

Vorzugsweise ist die dem Flüssigkeitsraum zugewandte Innenkon­ tur der Trennwand im wesentlichen symmetrisch zur Innenkontur des Flüssigkeitsraumes bezogen auf die Einspannebene der Mem­ bran ausgebildet.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Innenkontur des Flüssigkeitsraumes kegelstumpfförmig, wobei in der kleineren Grundfläche der Flüssigkeitsanschluß mündet.

Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, zur Er­ reichung besonders günstiger Größenverhältnisse das Gesamtvo­ lumen des Hydrospeichers mindestens zweimal, vorzugsweise etwa zehnmal so groß wie das maximal gespeicherte Flüssigkeitsvolu­ men auszulegen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Hydrospeichers mit einem maximal gefüllten Flüssig­ keitsraum im Schnitt dargestellt.

Ein Hydrospeicher 1 besitzt ein Gehäuse, welches ein unteres Gehäuseteil 2 und ein oberes Gehäuseteil 3 aufweist. Das unte­ re Gehäuseteil 2 besitzt einen Flüssigkeitsanschluß 4, der in einen sich kegelstumpfförmig erweiternden Teil 5 übergeht, an den sich eine radial nach außen gerichtete Abknickung an­ schließt, die schließlich in einen achsparallel gerichteten zylindrischen Teil 6 übergeht. In den unteren Gehäuseteil 2 ist eine Membran 7 eingelegt, die einen verdickten, wulstför­ migen Rand 8 besitzt, der an dem radial auswärts gerichteten Bereich zur Anlage kommt und dort von einer umlaufenden An­ drehung 9 in einer starren Trennwand 10 mit Vorspannung ge­ halten wird.

Die Trennwand 10 besitzt eine zylindrische Führung 11, welche im wesentlichen spielfrei in das zylindrische Teil 6 ein­ schiebbar ist. Ausgehend von der Einspannstelle der Membran 7 ist die Trennwand 10 kegelstumpfförmig derart verformt, daß sie als Spiegelbild des kegelstumpfförmigen Teils 5 in Bezug auf die Einspannebene 12 anzusehen ist. Dem Flüssigkeitsan­ schluß 4 gegenüberliegend besitzt die Trennwand 10 Überström­ öffnungen 13, die von der Membran 7 verschließbar sind.

Zur Vermeidung eines Durchtretens der Membran 7 durch die Überströmöffnungen 13 besitzt diese eine anvulkanisierte Schließplatte 14, deren Größe den Überströmöffnungen 13 bzw. dem Flüssigkeitsanschluß 4 angepaßt ist.

Die Führung 11 dient weiterhin der Zentrierung des oberen Ge­ häuseteils 3, der stumpf auf den zylindrischen Teil 6 stößt und mittels Elektronenstrahlschweißung mit diesem und gleich­ zeitig mit der Führung 11 verschweißt wird. Zwischen Flüssig­ keitsanschluß 4 und Membran 7 befindet sich ein Flüssigkeits­ raum 15. Jenseits der Membran 7 befindet sich ein Gasraum 16, welcher durch eine verschließbare Gasfüllöffnung 17 mit unter Druck stehendem Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt ist.

Zur Erläuterung der Funktion sei angenommen, daß das gesamte Volumen des Hydrospeichers 100 cm³ betrage und 10 cm³ eines Druckmittels gespeichert werden sollen. Bei einem Gasdruck von 80 bar absolut wird man am Flüssigkeitsanschluß 4 dazu einen Druck von 88,9 bar absolut bei einer isothermen Zustandsände­ rung benötigen. Bei einer weiteren Drucksteigerung auf einen Differenzdruck von z. B. über 10 bar wird sich die Membran 7 von ihrem Rand 8 ausgehend dicht, d. h. ohne die Bildung gasge­ füllter Ringräume oder "Gasnester", an die Trennwand 10 anle­ gen und so einen Gaszutritt und damit eine Diffusion von Gas­ partikeln durch die Membran 7 verhindern. Selbst im Bereich der Durchtrittsöffnungen 13 wird nur eine äußerst geringe Dif­ fusion stattfinden, da hier die gasundurchlässige Schließplat­ te 14 vorhanden ist. Wird für einen Betätigungsvorgang dem Flüssigkeitraum 15 Flüssigkeit entnommen, was nahezu schlagar­ tig erfolgt, so wird durch den damit verbundenen Druckabfall im Flüssigkeitsraum 17 die Membrane 7 aus ihrer in der Zeich­ nung dargestellten Lage in Richtung auf den Flüssigkeitsan­ schluß 4 verlagert bis sie umgestülpt, gegebenenfalls bei vollständiger Flüssigkeitsentleerung am kegelstumpfförmigen Teil 5 des Gehäuseteiles 2 anliegt. Nach Beendigung des kurz­ zeitig ablaufenden Betätigungsvorganges steigt der Druck im Hydrauliksystem nahezu schlagartig wieder auf seinen normalen Betriebswert an, wodurch die Membran 7 wieder in ihre unmit­ telbar an der Trennwand 10 anliegende Normalstellung springt.

Es ist bemerkenswert, daß die Membran 7 aufgrund ihrer Kegel­ stumpfform und infolge ihres durch die schlanke Bauform des Hydrospeichers 1 geringen Durchmessers eine vergleichsweise geringe Oberfläche hat und daher die Diffusion auch dann ge­ ring ausfällt, wenn die Membran 7 nicht bündig an der Trennwand 10 anliegt. Da die Trennwand 10 zugleich als Membranstütze dient, wird ein Überdehnen der Membran 7 zuverlässig verhindert. Dadurch, daß die Membran 7 nur symmetrisch ohne Dehnungen umklappen muß, erfährt sie nur geringe Beanspruchungen und damit eine Verlängerung der Lebensdauer.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Hydrospeichers sind Ge­ triebeschaltungen von Kraftfahrzeugen. Hierbei geht man davon aus, daß Schaltvorgänge bzw. Kupplungsvorgänge nur in gewissen Zeitabständen erfolgen, dann aber innerhalb sehr kurzer Zeit eine vergleichsweise große Menge Hydraulikflüssigkeit bereit­ gestellt werden muß. Eine Bereitstellung nur über eine Pumpe würde zu unnötig großen Pumpen führen. Da man in der Regel kleinere Pumpen verwendet, spielt es auch keine Rolle, daß der hydraulische Druck etwas höher begrenzt ist als eigentlich notwendig wäre. Andere Anwendungsgebiete wären dort denkbar, wo eine gewisse Sicherheitsreserve über lange Zeiträume be­ vorratet werden muß. In all diesen Fällen würde der Gasdruck schnell abnehmen, insbesondere bei höheren Betriebstempera­ turen mit der damit verbundenen höheren Diffusionsrate. Durch die Verwendung von Einweg-Speichern, wie sie in Kraftfahrzeu­ gen aus Kostengründen eingesetzt werden, entfällt die Möglich­ keit zur Korrektur des Gasdrucks, so daß hier besonders auf eine möglichst niedrige Diffusion geachtet werden muß.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Neben kegelstumpfförmigen Membranen sind auch halbkugelförmige denkbar. Außer der Schweißung durch Elektro­ nenstrahlen sind auch andere Schweißverfahren oder gar andere Verbindungsarten anwendbar.

Bezugszeichenliste

 1 Hydrospeicher
 2 unteres Gehäuseteil
 3 oberes Gehäuseteil
 4 Flüssigkeitsanschluß
 5 kegelstumpfförmiges Teil
 6 zylindrisches Teil
 7 Membran
 8 Rand
 9 Andrehung
10 Trennwand
11 zylindrische Führung
12 Einspannebene
13 Überströmöffnung
14 Schließplatte
15 Flüssigkeitsraum
16 Gasraum
17 Gasfüllöffnung

Claims (8)

1. Hydrospeicher (1) mit einem mindestens zweiteiligen Ge­ häuse (2, 3), das durch eine an ihrem umlaufenden Rand (8) eingespannte, walkfähige Membran (7) in einen Gasraum (16) und einen Flüssigkeitsraum (15) jeweils veränderlicher Größe unterteilt ist, der über einen Flüssigkeitsanschluß (4) mit einem Hydrauliksystem verbunden ist, wobei der Gasraum (16) einen ausschließlich der Gasspeicherung dienenden Raum umfaßt, der durch eine mit mindestens einer Überströmöffnung (13) versehene, den Verstellweg der Membran (7) begrenzende, starre Trennwand (10) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10) zugleich als Membranstütze zur unmittelbaren, gasnesterfreien Anlage der Membran (7) ausgebildet ist und daß der im Gasraum (16) einschließlich der durch Druckerhöhung bei maximaler Betriebstemperatur herrschende Gasdruck, der in gewissen Zeitabständen innerhalb sehr kurzer Zeit eine vergleichsweise große Flüssigkeitsmenge für einen eine begrenzte Zeit bean­ spruchenden Betätigungsvorgang in das Hydrauliksystem fördert, kleiner als der zwischen diesen Betätigungsvor­ gängen im Flüssigkeitsraum (15) anstehende minimale Be­ triebsdruck im Hydrauliksystem ist.

2. Hydrospeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) im Bereich des Flüssigkeitsanschlusses (4) und/oder der Überströmöffnung (13) mit einer gasdichten Schließplatte (14) versehen ist.

3. Hydrospeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennwand (10) mittig mit einer Mehrzahl kleinerer Überströmöffnungen (13) versehen ist.

4. Hydrospeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Betätigungsvorgängen im Flüssigkeitsraum (15) anstehende minimale Betriebsdruck auf einen Wert be­ grenzt ist, der etwa 10 bis 20 bar, vorzugsweise 15 bar höher liegt als der gleichzeitig wirkende Gasdruck.

5. Hydrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10) einerseits zur Ein­ spannung eines wulstförmig verdickten Randes (8) der Membran (7) gegenüber dem Gehäuse und andererseits zur Zentrierung zweier Gehäuseteile (2, 3) sowie als Schweiß­ unterlage für die Schweißung der beiden Gehäuseteile (2, 3) dient.

6. Hydrospeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Flüssigkeitsraum (15) zugewandte Innenkontur der Trennwand (10) im wesentlichen symmetrisch zur Innenkontur des Flüssigkeitsraumes (15) bezogen auf die Einspannebene (12) der Membran (7) ausge­ bildet ist.

7. Hydrospeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur des Flüssigkeitsraumes (15) kegelstumpf­ förmig ist, wobei in der kleineren Grundfläche der Flüssigkeitsanschluß (4) mündet.

8. Hydrospeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen des Hydro­ speichers (1) mindestens zweimal, vorzugsweise etwa zehn­ mal so groß ist wie das maximal gespeicherte Flüssigkeits­ volumen.