EP1250533A1 - Hydropneumatischer druckspeicher - Google Patents

Hydropneumatischer druckspeicher

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EP1250533A1 EP01902324A EP01902324A EP1250533A1 EP 1250533 A1 EP1250533 A1 EP 1250533A1 EP 01902324 A EP01902324 A EP 01902324A EP 01902324 A EP01902324 A EP 01902324A EP 1250533 A1 EP1250533 A1 EP 1250533A1
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Description

Hydropneumatischer Druckspeicher
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydropneumatischen Druckspeicher mit einem innerhalb des Speichergehäuses einen Gasraum von einem Olraum trennenden Balg, insbesondere einem Metallbalg, der an seinem einen Ende am Speichergehäuse so befestigt ist, daß der Olraum an die In- nenseite des Balges angrenzt, der an seinem freien anderen Ende durch einen entsprechend Volumenänderungen von Gasraum und Olraum beweglichen Abschlußkörper verschlossen ist, und mit einem das Strömen von Hydraulikfluidum aus dem und in den Olraum freigebenden oder sperrenden Ventil, das bei einer Bewegung des Abschlußkörpers, die einer einen vorgegebenen Größtwert übersteigenden Vergrößerung des Volumens des Gasraumes entspricht, durch den Abschlußkörper in seine sperrende Stellung überführbar ist.
Bekanntermaßen muß bei Balgspeichern mit Gummibälgen oder Metallbäl- gen darauf geachtet werden, daß Überbelastungen des Balges vermieden werden. Bei einem bekannten Druckspeicher der obengenannten Art, der einen Metallbalg benutzt, vergleiche WO 97/46823, ist im Hinblick auf dieses Problem ein Ventilstößel des am Olraum angeschlossenen Ventiles relativ zum Abschlußkörper des Metallbalges in solcher Lagebeziehung an- geordnet, daß der als ebene Endplatte ausgebildete Abschlußkörper des Metallbalges den Ventilstößel bei Erreichen einer gewünschten Endstellung beaufschlagt und in die Sperrstellung des Ventils verschiebt, so daß der Ausstrom von Hydraulikfluidum aus dem Olraum bei Erreichen dieser Endstellung der Endplatte des Metallbalges unterbunden wird. Bei geschlosse- nem Ventil bleibt somit, selbst wenn das angeschlossene Hydrauliksystem drucklos werden sollte, im Olraum des Speichers ein Druck aufrechterhalten, der dem im Gasraum momentan herrschenden Gasdruck entspricht, so daß am Metallbalg beidseits Druckgleichgewicht herrscht.
Zwar ist dadurch eine Überbelastung des Balges dann verhindert, wenn im Betrieb des Druckspeichers der Druck des ölseitig angeschlossenen Hydrau- liksystemes abfällt, es besteht jedoch weiterhin die Gefahr der Beschädigung des Balges bei Zuständen mit auf der Ölseite herrschendem Überdruck oder bei einem Fehlen des Vorfülldruckes auf der Gasseite. Da bei dem bekannten Druckspeicher der erwähnten Art der Größtwert des Volumens des Gasraumes im wesentlichen dem Hubvolumen entspricht, welches durch die bei Zusammenziehen und Ausziehen des Metallbalges erfolgende Bewegung der Endplatte definiert ist, muß die Hublänge, welche die Endplatte innerhalb des Speichergehäuses zurücklegen kann, ausrei- chend lang gewählt werden, wenn ein für den Betrieb des Speichers ausreichendes Volumen des Gasraumes zur Verfügung gestellt werden soll. Bei fehlendem Gas-Vorfülldruck oder ölseitig herrschendem Überdruck wirkt daher der herrschende Druckgradient auf den voll ausgezogenen und damit mechanisch am stärksten belasteten Metallbalg. Man ist daher gezwungen, entweder dickere oder aber mehrlagige Metallbälge zur Anwendung zu bringen. In nachteiliger Weise wird dadurch die Federsteifigkeit stark vergrößert, was zu einem verhältnismäßig schlechten Ansprechverhalten im Betrieb führt. Mehrlagige Bälge führen zu erhöhtem Gewicht und höheren Kosten. Außerdem ergibt sich ein geringerer Hub pro Balgwindung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckspeicher der betrachteten Art zu schaffen, der sich demgegenüber durch verbesserte Betriebseigenschaften auszeichnet.
Bei einem hydropneumatischen Druckspeicher der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abschlußkörper in Form eines Troges ausgebildet ist, daß der Trog mit seinem am offenen Ende befindlichen Rand mit dem zugeordneten freien Ende des Balges verbunden ist, daß der Trog sich mit seiner Seitenwand längs der Innenseite des Balges erstreckt und daß der Boden des Troges als bewegliches Ventilglied des das Strömen von Hydraulikfluidum steuernden Ventiles ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Bauweise, bei der der Balg die Außenseite eines gasseitig offenen Troges umgibt, ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Da der gesamte Innenraum des Troges als Teil des Gasraumes zur Verfügung steht, erreicht man ein optimales Verhältnis zwischen Gesamtgröße des Speichergehäuses und Volumen des Gasraumes. Während bei dem oben erwähnten, bekannten Druckspeicher ein ausreichendes Volumen des Gas- raumes nur dadurch zu verwirklichen ist, daß man für die Endplatte des
Metallbalges einen ausreichenden Hubweg im Speichergehäuse zuläßt, was zu den erwähnten Überlastungsproblemen des Balges führt, kann bei der Erfindung der dem Ausziehen des Balges entsprechende Hubweg des Abschlußkörpers praktisch beliebig klein ausgeführt werden. Mit anderen Wor- ten gesagt, kann das Speichergehäuse so geformt werden, daß es nach kurzer Hubbewegung des Troges einen mechanischen Anschlag bildet, weil der gesamte Innenraum des Troges als Gasraumvolumen zur Verfügung steht.
Der Balg ist auf diese Weise nicht nur gegen zu starkes Ausziehen geschützt, sondern, da er die Außenseite des Troges umringt, ist der Balg bei im Gasraum herrschendem Überdruck auch mechanisch auf der Außenseite des Troges auf gesamter Länge abgestützt. Dies ermöglicht wiederum den Aufbau des Gas-Vorfülldruckes bereits vor Inbetriebnahme des Druckspeichers, d.h. bevor das Hy rauli system ölseitig angeschlossen ist. Wenn letzteres der Fall ist und im Olraum der Betriebsdruck einmal aufgebaut ist, wird durch das den Abfluß von Hydraulikfluidum aus dem Olraum steuernde Ventil Druckgleichgewicht am Balg aufrecht erhalten. Dadurch, daß der Trog außenseitig vom Balg umgeben ist, ergibt sich ein sehr geringes „Tot~ voiumen" zwischen Trog und Balg, so daß in vorteilhafter Weise vor dem Befüllen des Gasraumes nur eine geringe Menge an Hydraulikfluidum ein- gefüllt werden muß, was wiederum eine Gewichts- und Kostenersparnis bedeutet.
Da der Boden des Troges gleichzeitig als bewegliches Ventilglied ausgebildet ist, ergibt sich zudem eine besonders kompakte und einfache Bauweise.
Vorzugsweise ist der Trog kreiszylindrisch geformt, und die Tiefe des Troges ist so bemessen, daß sein als Ventilglied dienender Boden als beweglicher kreisrunder Ventilteller mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der an der Innenwand des Speichergehäuses ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich nicht nur eine besonders einfache Bauweise des Ventils, sondern, da die gesamte Fläche des Trogbodens als Ventilteller zur Verfügung steht, läßt sich eine besonders großflächige Abdichtung beim Sperrzustand des Venti- les erreichen. Hierzu kann beispielsweise im radial außenliegenden Randbereich des runden Trogbodens ein O-Ring zur Bildung einer ringförmigen Dichtfläche vorgesehen sein.
Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein am Trogboden befestigter Ventilstößel vorgesehen, der mit einem zweiten beweglichen Ventilglied verbunden ist, das bei einer einen vorgegebenen Kleinst- wert des Volumens des Gasraumes übersteigenden Bewegung des Troges mit einem das Strömen von Hydraulikfluidum in den Olraum sperrenden zweiten Ventilsitz zusammenwirkt. Dadurch eröffnet sich die vorteilhafte Möglichkeit, auch die dem Kleinstwert des Volumens des Gasraumes entsprechende Endstellung des Troges mit Hilfe eines ölseitigen Ventiles zu steuern. Wenn bei einer durch Überdruck auf der Ölseite bewirkten Bewegung des Troges durch den mit diesem verbundenen Ventilstößel der Zu- ström von Hydraulikfluidum zum Olraum gesperrt wird, wird Druckausgleich am Balg hergestellt. Wenn beim Betrieb des erfindungsgemäßen Druckspeichers einmal das Druckgleichgewicht zwischen Gas-Vorfülldruck im Gasraum und Hydraulikdruck im Olraum hergestellt ist und sich der den Abschluß des Balges bildende Trog zwischen seinen vorgegebenen Endstel- lungen befindet, bei dem beide Ventilglieder von ihren zugehörigen Ventilsitzen abgehoben sind, der Fluidstrom also nicht gesperrt ist, dann bleibt der Zustand des Druckausgleiches am Balg im Betrieb erhalten, ungeachtet dessen, ob der Hydraulikdruck der Ölseite gegenüber dem Gas- Vorfülldruck absinken mag (was zum Sperren des Ventiles führt) oder unge- achtet dessen, wie stark der Hydraulikdruck relativ zum Gas-Vorfülldruck ansteigen mag (was wiederum zum Sperren des Ventiles führt, so daß kein weiterer Zustrom zum Olraum mehr möglich ist).
Der Ventilstößel hat auch eine Führungsfunktion bei der Hubbewegung des Balges, so daß ein einwandfreier Sitz des als Ventilglied dienenden Trogbodens am Ventilsitz und damit ein einwandfreies Sperren des Ventiles gewährleistet sind.
Da der Balg im Gleichgewichtszustand arbeitet, kann eine leichte Bauweise des Balges angewendet werden, was nicht nur zur Gewichtsverringerung, sondern auch zu einem besonders guten Ansprechverhalten führt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, bei dem ein Metallbalg verwendet wird, im einzel- nen erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt des Ausführungsbeispiels des Druckspeichers.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel des Druckspeichers ist insbesondere für eine Verwendung bei elektrohydraulischen Bremsanlagen vorgesehen und weist ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Speichergehäuse auf. Dieses weist einen im wesentlichen kreiszylinderförmigen Hauptteil 3 auf, der einerseits durch einen angeschweißten Bodendeckel 5 und andererseits durch eine angeschweißte, flach gewölbte Endkappe 7 verschlossen ist. Im Bo- dendeckel 5 ist ein zentraler Hydraulikanschluß 9 mit Durchlässen 1 1 für Zu- und Abfluß eines Hydraulikfluidums zum Olraum 13 innerhalb des Speichergehäuses 1 vorgesehen. An der Endkappe 7 ist eine zentral gelegene Gas-Füllöffnung vorgesehen, die durch einen Stopfen 15 verschlossen ist und es ermöglicht, durch Befüllen mit einem kompressiblen Gas im an- grenzenden Gasraum 17 des Speichergehäuses 1 einen gewünschten Gas- Vorfülldruck herzustellen, beispielsweise durch Befüllen mit Stickstoff.
Als Trennelement zwischen diesem Gasraum 17 und dem Olraum 13, mit dem ein nicht gezeigtes Hydrauliksystem über den Hydraulikanschluß 9 in Verbindung ist, dient ein Metallbalg 19, der eine kreiszylindrische Form besitzt und am einen Ende mit dem Bodendeckel 5 fest verbunden ist. Der Außendurchmesser des Metallbalges 19 ist etwas geringer als der Innendurchmesser des zylindrischen Hauptteiles 3 des Speichergehäuses 1. An seinem dem Bodendeckel 5 entgegengesetzten freien Ende ist der Metall- balg 19 durch einen Abschlußkörper in Form eines Troges 21 dicht verschlossen. Dieser ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel kreiszylindrisch geformt und weist einen Außendurchmesser auf, der etwas geringer ist als der Innendurchmesser des Metallbalges 19. Der Trog 21 ist an seinem offenen Ende 23 mit einem nach außen umgelegten, flanschartigen Rand 25 am zugeordneten freien Ende des Metallbalges 19 befestigt, so daß sich die Seitenwand 27 des Troges 21 längs der Innenseite des den Trog umringenden Metalibalges 19 erstreckt und der Innenraum des Metallbalges 19 lediglich mit dem schmalen Ringraum 29 zwischen der Außenseite der Seitenwand
27 des Troges 21 und der Innenseite des Metallbalges 19 einen Teil des Ölraumes 1 3 bildet.
Der Gasraum 1 7 hingegen hat ein demgegenüber weit größeres Volumen, weil innerhalb des Speichergehäuses 1 als Gasraum nicht nur der Ringraum
28 an der Außenseite des Metallbalges 19 und der an die obere Endkappe 7 angrenzende Raum zur Verfügung steht, sondern zusätzlich auch der gesamte Innenraum des Troges 21.
Dem Hydraulikanschluß 9 ist ein doppelt wirkendes Ölventil 31 zugeordnet, das zwei den Durchstrom von Hydraulikfluidum durch die Durchlässe 1 1 in jeweils zueinander entgegengesetzter Strömungsrichtung sperrende oder freigebende Ventileinheiten aufweist, die durch Bewegungen des Me- tallbalges 19 und damit des Troges 21 steuerbar sind, wenn sich der Metallbalg 19 aufgrund von Druckdifferenzen im Olraum 1 3 und dem Gasraum 1 7 zusammenzieht oder auszieht und der Trog 21 eine entsprechende Bewegung längs der zentralen Längsachse 33 des Speichergehäuses 1 ausführt. Die Tiefe des Troges 21 ist so bemessen, daß bei unbelastetem Me- tallbalg 19, zum Beispiel wenn sowohl Ölrauml 3 als auch Gasraum 1 7 drucklos sind, sich der Trogboden 35 bis in die Nähe der Innenwand 37 des Bodendeckels 5 erstreckt. Der Trogboden 35 ist als kreisrunder Ventilteller gestaltet, der mit der benachbarten Innenwand 37, die als zugeordneter Ventilsitz gestaltet ist, die eine der genannten Ventileinheiten bildet. Zur Bildung von Dichtflächen sind ein O-Ring 39 am radial außenliegenden Rand des Trogbodens 35 sowie ein O-Ring 41 an der Innenwand 37 des Bodendeckels 5 vorgesehen, wobei die O-Ringe 39 und 41 jeweils in entsprechenden Ringnuten aufgenommen sind. Durch den aufgrund des Durchmessers des Troges 21 bedingten, verhältnismäßig großen radialen Abstand der Dichtflächen von der zentralen Längsachse 33 ist eine großflächige Abdichtung und damit ein sehr sicheres Sperren des Ventiles gewährleistet. Die zweite Ventileinheit weist einen Ventilkörper 43 auf, der über einen am Trogboden 35 befestigten Ventilstößel 45 zusammen mit dem Trog 21 beweglich ist. Der Ventilstößel 45 erstreckt sich durch eine zentrale Bohrung 47 im Bodendeckel 5 aus dem Speichergehäuse 1 heraus. Der Ventilkörper 43 wirkt mit einem im Hydraulikanschluß 9 ausgebildeten Ventilsitz 49 zusammen und weist einen an den Ventilsitz anlegbaren O-Ring 50 auf.
Wie ersichtlich ist, bewegt sich der Trog 21 bei einem Zusammenziehen des Metallbalges 19 aufgrund eines Überdruckzustandes im Gasraum 1 7 gegenüber dem Olraum 13 mit seinem als Ventilteller dienenden Trogboden 35 an die Innenwand 37 des Bodendeckels 5, so daß die O-Ringe 39 und 41 zur Anlage an entsprechende Flächen von Ventilsitz bzw. Ventilteller kommen und ein Abfluß von Hydraulikfluidum durch die Durchlässe 1 1 aus dem Olraum 13 gesperrt wird. Wenn andererseits im Olraum 13 ein höherer Druck herrscht als im Gasraum 17, führt eine entsprechende Verschiebebewegung des Troges 21 über den Ventilstößel 45 zu einer Bewegung des Ventilkörpers 43, der durch Anlage des O-Ringes 50 am Ventilsitz 49 den Zustrom von Hydraulikfluidum zum Olraum 13 sperrt, so daß wie- derum der Zustand des Druckausgleiches zwischen Olraum 13 und Gasraum 1 7 entsteht. Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Druckspeicher durch das Vorhandensein des doppelt wirkenden Ventiles 31 , also dadurch, daß sowohl der Abfluß von Hydraulikfluidum als auch der Zustrom von Hydraulikfluidum gesteuert wird, im Betrieb hinsichtlich der Beibehaltung des Druckausgleiches am Metallbalg 19 selbststeuernd arbeitet, wodurch höchste Betriebssicherheit über lange Betriebszeiträume gewährleistet ist und Metallbälge leichter Bauweise entsprechend vorteilhaft zum Einsatz kommen können. Zudem ergibt sich dadurch, daß als Abschluß des offenen Endes des Metallbalges 19 ein sich ins Innere des Metallbalges 19 erstrek- kender Trog 21 vorgesehen ist, nicht nur der Vorteil der vereinfachten
Bauweise des Ventils durch Verwendung des Trogbodens 35 als bewegliches Ventilglied, sondern der besondere Vorteil, daß praktisch das gesamte Volumen des Troges 21 als Teilvolumen des Gasraumes 1 zur Verfügung steht.
Es versteht sich, daß anstelle des beim beschriebenen Beispiel gezeigten Metallbalges 19 auch ein nichtmetallischer Balg vorgesehen sein kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1) Hydropneumatischer Druckspeicher mit einem innerhalb des Speichergehäuses (1 ) einen Gasraum (1 7) von einem Olraum (13) tren- nenden Balg (19), insbesondere einem Metallbalg, der an seinem einen Ende am Speichergehäuse (1 ) so befestigt ist, daß der Olraum (1 3) an die Innenseite des Balges (19) angrenzt, der an seinem freien anderen Ende durch einen entsprechend Volumenänderungen von Gasraum (1 7)und Olraum (13) beweglichen Abschlußkörper (21 ) verschlossen ist, und mit einem das Strömen von Hydraulikfluidum aus dem und in den Olraum (13) freigebenden oder sperrenden Ventil (31 ), das bei einer Bewegung des Abschlußkörpers (21 ), die einer einen vorgegebenen Größtwert übersteigenden Vergrößerung des Volumens des Gasraumes (17) entspricht, durch den Abschlußkörper (21) in seine sperrende Stellung überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußkörper in Form eines Troges (21 ) ausgebildet ist, daß der Trog (21 ) mit seinem am offenen Ende (23) befindlichen Rand (25) mit dem zugeordneten freien Ende des Balges (19) verbunden ist, daß der Trog (21) sich mit seiner Seitenwand (27) längs der Innenseite des Balges (19) erstreckt und daß der Boden (35) des Troges (21) als bewegliches Ventilglied des das Strömen von Hydraulikfluidum steuernden Ventiles (31) ausgebildet ist.
2) Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1 , dadurch ge- kennzeichnet, daß der Trog (21) kreiszylindrisch geformt ist und seine Tiefe so bemessen ist, daß sein als Ventilglied dienender Boden (35) als kreisrunder beweglicher Ventilteller mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der an der Innenwand (37) des Speichergehäuses (1 ) ausgebildet ist.
3) Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz konzentrisch zur zentralen Längs- achse (33) des als Rotationskörper gestalteten Speichergehäuses (1 ) angeordnet ist und einen Durchlaß (1 1 ) für Hydraulikfluidum umgibt.
4) Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zur Längsachse (33) Dichtflächen (39, 41) am Ventilteller und am Ventilsitz in deren jeweils radial außenliegendem Randbereich vorgesehen sind.
5) Hydropneumatischer Druckspeicher nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Trogboden (35) befestigter Ventilstößel (45) vorgesehen ist, der sich konzentrisch zur Längsachse (33) aus dem Speichergehäuse (1 ) erstreckt und mit einem zweiten beweglichen Ventilglied (43) verbunden ist, das bei einer einem vor- gegebenen Kleinstwert des Volumens des Gasraumes (1 7) übersteigenden Bewegung des Troges (21) mit einem das Strömen von Hydraulikfluidum in den Olraum (13) sperrenden, zweiten Ventilsitz (49) zusammenwirkt.
6) Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Dichtflächen an den beweglichen Ventilgiiedem und/oder zugeordneten Ventilsitzen durch in Ringnuten sitzende O-Ringe (39, 41 ) gebildet sind.
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