Hydraulikaggregat mit verbesserter Pulsationsdämpfung
Die Erfindung betrifft ein Hydraulikaggregat mit verbesserter Pulsationsdämpfung umfassend einen Aufnahmekörper mit elektrohydraulischen Ventilen, mit wenigstens einer hydraulischen Pumpe, und mit Kanälen zur Verbindung der Pumpe mit wenigstens einem hydraulischen Verbraucher, wobei infolge Druckmittelförderung durch die Pumpe und/oder infolge Druckmittelentnahme durch den Verbraucher eine Pulsationssituation gegeben ist, und dass wenigstens eine Dämpfungseinheit vorgesehen ist, welche mehrere Pulsationsdämpfungsmittel, wie insbesondere Dämpfungskammer, Elastokörper, Blende aufweist.
Ein derartiges Hydraulikaggregat zum Einsatz in einer Kraftfahrzeugbremsanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2005 028 562 Al bekannt, und dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationsdämpfungsmittel unterschiedlich ausgebildet sind. Obwohl durch diese Maßnahme die gestellte Aufgabe prinzipiell gelöst wird, ist das Pulsationsverhalten weiterhin verbesserungsfähig. Beispielsweise ist die Geräuschdämmung im Innenraum moderner Kraftfahrzeuge derart optimiert, dass beispielsweise haptische Rückmeldungen - wie insbesondere Bremspedalvibration - besonders negativ hervortritt, und beanstandet wird.
Grundsätzlich bekannte Pulsationsdämpfungsmaßnahmen leiden unter dem Nachteil, dass diese nur punktuell zufriedenstellend arbeiten .
ABS-Regeleingriffe finden oftmals bei einem fahrerseitig eingesteuerten Bremsdruck von beispielsweise 100 bar und mehr statt und erfordern eine Rückförderung in Richtung Betätigungseinheit THZ. Andere Eingriffe, beispielsweise die hydraulische Betätigung für Parkbremsfunktionen, erfordert eine beschleunigte Befüllung von Bremssätteln mit vergleichsweise hoher Volumenaufnahme, also hohem Volumenstrom bei vergleichsweise geringem Druckniveau.
Andererseits wird eine optimierte Dosierbarkeit bei möglichst hohem NVH-Komfort (Noise-Vibration-Harshness) für Assistenzfunktionen nachgefragt, die folglich vergleichsweise flache Druckanstiegs- und/oder Druckabbaugradienten erfordern, damit möglichst hoher Komfort geboten wird.
Die Auslegung der Kraftfahrzeugbremsanlage in Hinblick auf die Volumenstromförderleistung erfolgt grundsätzlich derart, dass die Förderkapazität der Pumpe nach der maximal erforderlichen Volumenstromförderung zur Abdeckung besonders sicherheitskritischer Regelungseingriffe, wie z. B. Fahrstabilitätsregeleingriffe (ESP) , Anti-Rollover-Protection (ARP) oder ähnliches dimensioniert wird. Diese Eingriffe beruhen prinzipiell auf einem autonomen Systemeingriff, ohne auf irgendwelche Unterstützung oder Vorfüllung durch den Fahrzeugführer zurück greifen zu können. Diese Randbedingungen erfordern ein vergleichsweise groß dimensioniertes Verdrängungsvolumen (großer Kolbendurchmesser, großer Verdrängungshub) . Diese Dimensionierung wirkt sich bei einer Pulsationsbewertung und im Geräuschverhalten negativ aus, insbesondere wenn vergleichsweise kleine Fördervolumina nachgefragt werden.
Weiterhin verfügen mehrkreisige Pumpen vorwiegend über einen gemeinsam gebündelten Antriebsstrang, so dass im Pumpenbetrieb ständig alle Kolben mitgenommen werden, selbst wenn in irgendeinem der Pumpenkreise kein Förderstrom angefordert wird.
Wenn beispielsweise in nur einem von zwei Pumpenkreisen durch den Verbraucher ein Fördervolumen entnommen wird, und wenn dem anderen Pumpenkreis keinerlei Fördervolumen (Nullförderung) entnommen wird, entsteht im Pumpenkreis mit Nullförderung zumindest in einem Teil vom Saugpfad eine Unterdruckbildung (Kavitation) infolge „sauggedrosseltem" Betrieb. Denn der Saugpfad der Pumpe ist fortwährend verschlossen. Durch den Unterdruck können gelöste Gasanteile frei werden, was zu unerwünschten Kompressiblitäten im Bremssystem führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, gattungsgemäße Hydraulikaggregate derart weiter zu entwickeln, dass für die sehr unterschiedlich gelagerten Probleme eine einheitliche und kostengünstige Problemlösung angeboten wird, und eine Komfortminderung infolge Pulsationswirkung nicht gegeben ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale vom unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Die Erfindung ist mit dem besonderen Vorteil verknüpft, dass eine situativ angepasste, automatische Adaption von den physikalischen Eigenschaften und Wirkungen der Dämpfungseinheit an die jeweils bestehende Pulsationscharakteristik ermöglicht wird. Indem also eine selbsttätige Anpassung der Dämpfungseinheit an eine aufgeprägte Pulsationscharakteristik erfolgt, ist kein fester Arbeitspunkt der Dämpfungseinheit definiert. Als Ergebnis wird die Pulsationsminderung verbessert, weil die Wirkung der Dämpfungsmaßnahme adaptiv auf einen erweiterten
Betriebsbereich erstreckt wird. Dadurch wird ein vergrößerter Wirkungsbereich ermöglicht, der sowohl Hochdruckanwendungen bei geringen Fördervolumina, als auch hohe Fördervolumina bei niedrigem Druck abdeckt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1: Teilweise ein prinzipieller Schaltplan eines Hydraulikkreises einer Kraftfahrzeugbremsanlage mit schaltbarer Dämpfungseinheit,
Fig. 2: schematisch, vergrößert sowie teilweise konstruktive Einzelheiten einer abgewandelten Dämpfungseinheit,
Fig. 3: schematisierter Schaltplan vergleichbar Fig. 1,
Fig. 4: schematisierte Kennlinie zur Verdeutlichung der adaptiv angepassten Dämpfungswirkung einer Dämpfungseinheit,
Fig. 5: Teile von einem Hydraulikaggregat mit einer Dämpfungseinheit vergrößert, im Schnitt, gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 6: Druck-Zeit-Verläufe genommen an einer Dämpfungseinheit und an einem Verbraucher bei einem erfindungsgemäßen Hydraulikaggregat, und
Fig. 7: Druck-Zeit-Verläufe genommen an einer Dämpfungskammer und an einem Verbraucher bei einem konventionellen Hydraulikaggregat .
Nachstehend wird im Einzelnen auf die Fig. 1 eingegangen. Diese verdeutlicht schematisch sowie teilweise ein Hydraulikaggregat HCU mit einem Aufnahmekörper 1 für elektrohydraulische Ventile 2,3 und eine Pumpe 4, insbesondere Hubkolbenpumpe, die zwischen einer Betätigungseinheit THZ (Hauptzylinder mit Behälter) und Radbremsen B (Verbraucher) angeordnet ist. Das Hydraulikaggregat HCU ermöglicht insbesondere eine Druckmodulation. Die Pumpe 4 ist elektromotorisch angetrieben. Bevorzugt findet ein drehzahlvariierbarer Motor M Verwendung, so dass die Förderleistung regulierbar ist. Ein Saugpfad der Pumpe 4 umfasst ein Saugventil 5, das entweder differenzdruckgesteuert oder elektromagnetisch gesteuert ist. Weiterhin ist der Saugpfad mit Hilfe von einem nicht dargestellten, stromlos geschlossenen, Umschaltventil derart umschaltbar gestaltet, dass entweder aus der Betätigungseinheit THZ, oder aus einem nicht gezeigten Niederdruckspeicher - welcher grundsätzlich an einen Auslass einer Radbremse B angeschlossen ist - angesaugt werden kann. Weiterhin ist das elektrohydraulische Ventil 2 als stromlos offenes Trennventil ausgelegt, so dass im geschlossenen Schaltzustand eine fahrerunabhängige Betätigung ermöglicht ist, und im offenen Zustand eine konventionelle Bremsbetätigung erfolgen kann. Das weiterhin ersichtliche elektrohydraulische Ventil 3 ist prinzipiell als stromlos offenes Einlassventil für die Radbremse B ausgelegt.
Die beschriebene Umschaltung im Saugpfad der Pumpe 4 ermöglicht es je nach Schaltzustand, Druckmittel entweder in Richtung Betätigungseinheit THZ oder in Richtung Radbremse B zu fördern. Im Druckpfad der Pumpe 4 ist ein Druckventil 6 und eine adaptiv anpassbare Dämpfungseinheit 7 mit mehreren Dämpfungsmitteln angeordnet. Bei der schematisch verdeutlichten Anordnung ist eine Dämpfungskammer 8 und eine,
der Dämpfungskammer 8 nachgeschaltete, Blendeneinheit vorgesehen. Ganz generell umfasst die Blendeneinheit eine fest installierte Blende 9 und eine schaltbare Blende 10. Wie auch sinnbildlich aus Fig. 1 hervorgeht, verfügt die Blende 9 über eine große, vergleichsweise weite Blendenöffnung mit verringerter Blendwirkung, während die Blende 10 eine kleine, vergleichsweise enge Blendenöffnung mit hoher Blendwirkung aufweist. Die adaptive Anpassung der Dämpfungseinheit 7 erfolgt durch Umschaltung. Diese Schaltfunktion ist bei der Ausführungsform sinnbildlich durch ein differenzdruckgesteuertes Rückschlagventil 11 dargestellt, welches parallel zur Blende 10 in einem Bypass 12 angeordnet ist, und den Bypass 12 in Grundstellung verschließt. Durch die beschriebene, adaptiv an die jeweilige
Pulsationscharakteristik anpassbare, Dämpfungseinheit 7 wird eine selbsttätige Anpassung der Dämpfungseinheit 7 an die jeweiligen Pulsationsbedingungen ermöglicht. In diesem Zusammenhang sind zumindest zwei unterschiedliche Schaltzustände voneinander zu unterscheiden.
a) wenn die ausgeübte Druckdifferenz am Rückschlagventil 11 nicht ausreicht, um dieses zu öffnen, ist zunächst stets die vorgeschaltete Blende 10 mit kleiner Blendenöffnung aktiv. Im Anschluss gelangt der Volumenstrom durch die Blende 9 mit großer Blendenöffnung. Für diesen Schaltzustand bewirkt die Dämpfungseinheit 7 eine kaskadierte, mit anderen Worten in Serie geschaltete, Wirkung von Dämpfungskammer 8 sowie der beiden in Serie geschalteten Blenden 9,10 mit unterschiedlich großen Blendenöffnungen. Anschließend verlässt das Druckmittel die Dämpfungseinheit 7 und gelangt in einen Druckkanal vom Druckpfad.
b) ab ausreichend großer Druckdifferenz an einem elastatisch vorgespannt beaufschlagten Ventilkörper 13 vom Rückschlagventil 11, hebt der Ventilkörper 13 von seinem Ventilsitz 14 ab, so dass der pulsierende Volumenstrom nach der Dämpfungskammer 8 unmittelbar direkt durch die Blende 9 mit großer Blendenöffnung gelangt. Dabei ist die Vorspannkraft auf den Ventilkörper 13 so vorgegeben, dass beispielsweise vergleichsweise hohe Pulsationswirkung den Umschaltprozess auslöst. Durch diese Schaltmaßnahme umfasst die gebildete Dämpfungskaskade nur die Wirkung der Dämpfungskammer 8 in Kombination mit der Wirkung der Blende 9 mit großer Durchtrittsöffnung .
Ein besonderer Vorteil dieser adaptiv wirksamen
Dämpfungseinheit 7 ist, dass sie mit den notwendigen Bauteilen einfach in eine modular gestaltete Großserie integrierbar ist, die anhand von unterschiedlichen, modular ausgestatteten Ausführungsformen auf einfachem Wege eine variabel gestaltete, adaptive Pulsationsdämpfung erlaubt, ohne wesentlichen Änderungsaufwand beispielsweise an den elektrohydraulischen Ventilen 2,3, an dem Aufnahmekörper 1, einer elektronischen Regelung oder an anderen Komponenten hervorzurufen. Denn Bauteile der Dämpfungseinheit 7 können einfach, nach Bedarf, im Sinne eines Baukastens hinzugefügt oder weggelassen werden.
Die Blendenöffnungen der beiden Blenden 9, .10 sind bevorzugt unterschiedlich groß dimensioniert. Beispielsweise verfügen diese ganz generell über einen vergleichsweise kleinen Durchmesser von wenigen Zehntelmillimeter. Eine bevorzugte Stufung der Blendenöffnungen liegt beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,2 mm bis 0,5 mm (mit jeweils bis zu +/- 0,25 mm Abweichung) . Folglich ist die Blendenöffnung der
Blende 10 im Vergleich zu der Blendenöffnung der Blende 9 nur etwa halb so groß dimensioniert.
Mit Blick auf die Fig. 3 sind die physikalischen Wirkungen der Dämpfungseinheit 7 prinzipiell wie folgt. Zunächst ist das hydraulische Druckmittel DM - obwohl prinzipiell inkompressibel, zumindest im Hochdruckbereich geringfügig elastisch (Elastizität des Druckmittels) . Eine weitere zusätzliche Elastizität E ist sinnbildlich durch gesonderte Dämpfungsmittel gegeben. Weiterhin sind die Blenden 9,10 mit Ihrer jeweiligen Blendenöffnung in Hinblick auf bestimmte Pulsationscharakteristiken so dimensioniert, dass ein bestimmter Staudruck in der Dämpfungskammer 8 aufgebaut werden kann, so dass die Dämpfungskammer 8 durch das darin aufgestaute Druckmittelvolumen Elastizität zur Verfügung stellt. Die Aufgabe der gesamten Dämpfungseinheit 7 besteht nun darin, deren Wirkung genau so abzustimmen, dass sämtliche Elastizitäten E in Verbindung mit dem erzeugten Staudruck eine Phasenverschiebung in Relation zu einer Anregungsfrequenz (diese entspricht einer Drehzahl vom elektromotorischen Antrieb) durch die Pumpe 4 derart verursacht, dass die Phasenverschiebung eine Auslöschung von Pulsationswirkungen oder zumindest eine Minderung von Pulsationswirkungen verursacht. Durch die adaptive Charakteristik der Erfindung wird diese Aufgabe sogar im Bereich geringer Antriebsfrequenzen, beispielsweise bei Komfortfunktionen, erzielt .
Der Mechanismus einer besonders gelungenen Auslöschung oder Minderung ist besonders gut aus der Fig. 6 zu ersehen. Hintergrund ist eine kaskadierte, abschaltbare Abblendung einer Dämpfungskammer 8 mit etwa 100 mm Druckmittelvolumen. In den beiden Druck-Zeit-Diagrammen stellt die obere Kurve
jeweils einen Druck in der Dämpfungskammer 8 p D und die untere Kurve einen Druck in einer Radbremse p_VR dar. Das rechte Diagramm in Fig. 6 verdeutlicht einen stark geglätteten Raddruckverlauf p_VR bei einer jeweils erheblichen Überhöhung des Dämpfungskammerdrucks p D im Verhältnis zum Raddruck p VR. Dies lässt auf einen stark überhöhten Staudruck schließen, welcher die erläuterte Phasenverschiebung verursacht. Im Ergebnis zeigt der Raddruckverlauf im Wesentlichen keine Ungleichförmigkeit .
Demgegenüber beruht ein Dämpfungssystem nach Fig. 7 nicht auf der Grundlage der Erfindung, sondern lediglich auf einer kaskadierten Beblendung von einer Elastomermembran 15 mit etwa 60 Shore Härte (ohne Verwendung von einer Dämpfungskammer) . Dem rechten Diagramm der Fig. 7 ist ein ungleichförmig- treppenförmiger Raddruckverlauf p VR zu entnehmen, wobei der Dämpfungskammerdruck p_D stellenweise bis auf den Raddruck p VR absinkt. Dies dokumentiert eine - in weiten Teilen unbefriedigende - Dämpfungsfunktion der verwendeten Dämpfungseinheit .
In dem Diagramm gemäß Fig. 4 ist qualitativ eine Kennlinie einer Volumenaufnahme V in mm3 in Abhängigkeit von dem Druck p in bar bei einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinheit 7 abgetragen. Demzufolge verdeutlicht die Fig. 4 die jeweils verfügbare Elastizität E. Ein Knick K in der Volumenkennlinie verdeutlicht anschaulich, dass die Elastizität und damit die Blendwirkung durch den beschriebenen Schaltvorgang unter hohem Systemdruck reduziert ist, so dass auch die Volumenaufnahme in der Dämpfungskammer 8 reduziert ist. Beispielsweise beträgt die Elastizität (Steigung der Kennlinie) in einem ersten Abschnitt beispielsweise etwa 6 mm /bar und in einem zweiten Abschnitt etwa 0,5 mm3/bar.
Ganz generell ist es von Vorteil, wenn der maximale Staudruck limitiert ist, da überhöhter Staudruck in der Dämpfungskammer 8 durch hydraulische Rückwirkungen auf Kolben und Antriebsexzenter eine erhöhte Stromaufnahme und erhöhten Verschleiß vom Kurbeltrieb verursacht. Aus diesem Grund ist der Bypass 12 mit dem Rückschlagventil 11 vorgesehen, der den maximal erzeugten Staudruck begrenzt. Der Öffnungsdruck vom Rückschlagventil 11 kann bevorzugt umso geringer gewählt werden, je elastischer die Abstimmung des Gesamtsystems (Abstimmung von Dämpfungskammer 8, Blenden 9,10 und Elastizität/Druckmittel) ausgebildet ist.
Übereinstimmende Bauelemente sind in Fig. 2 mit übereinstimmenden Bezugsziffern gekennzeichnet. Zusätzlich ist in der Dämpfungskammer 8 eine elastische Membran 15 angeordnet, die die fluidgefüllte Dämpfungskammer 8 von einem pneumatischen Raum 16 trennt. Der pneumatische Raum 16 kann, gemäß einer Ausführungsform, durch einen Verschluß 17 von der Umgebungsatmosphäre U abgetrennt sein. Alternativ dazu erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem pneumatischem Raum 16 und der Umgebungsatmosphäre U. Die beiden Blenden 9,10 und das Rückschlagventil 11 sind als gesondert handhabbare Baugruppe ausgebildet, und ausgehend von einer Aufnahmebohrung der Dämpfungskammer 8 in eine abgestufte Bohrung 18 vom Druckkanal eingefügt. Zur Ausbildung der Blende 10 verfügt der Ventilsitz 14 über eine gezielt vorgesehene Kerbe 19, deren Querschnitt der Blendenöffnung entspricht. Um Verstopfung von feinen Bohrungen, insbesondere der Verstopfung der Blendenöffnung vorzubeugen, kann dieser ein Sieb 20 (vgl. Fig. 5) vorgeschaltet sein. Zur Ausbildung kann gegenüber dem Ventilsitz 14 mittig an einem Boden 21 von einem Gehäuse 22 eine Blende 9 vorgesehen sein (Fig. 1) .
Alternativ ist - wie in Fig. 5 gezeigt - zwischen Ventilkörper 13 und Ventilsitz 14 eine kanal- oder schlitzförmige Blendenöffnung (Kerbe 19) vorgesehen, und die erweiterte Blendenöffnung wird geschaffen, indem der Ventilkörper 13 vom Ventilsitz 14 abhebt (Fig. 5) . Diese Bauweise zeichnet sich dadurch aus, dass der Querschnitt der Blende 9 in Abhängigkeit von der anliegenden Druckdifferenz sogar variabel eingestellt werden kann, während gemäß Fig. 2 stets ein Festwert definiert ist. Mit anderen Worten ist es durchaus möglich, entweder die Blende 9 oder die Blende 10 variabel zu gestalten.
Weiterhin kann die Schaltlogik unterschiedlich umgesetzt werden, indem beispielsweise wie in Fig. 1 die Blende 10 abgeschaltet wird, weil ein Rückschlagventil 11 den Bypass 12 öffnet, oder die Blende 10 wird im Sinne einer Schaltblende druckabhängig geöffnet (Fig. 2) .
Die Dämpfungseinheit 7 kann selbstreinigende Eigenschaften aufweisen, indem feine Blendenbohrungen im Betrieb während Phasen höherer Drücke/Antriebsdrehzahlen freigespült werden. Sollten Schmutzpartikel irgendwelche Blendenöffnungen während Niederdruckphasen vollständig verstopfen, steigt der Druck in der Dämpfungskammer 8 automatisch an, und das Rückschlagventil 11 öffnet. Somit wird eine Überlastung der Pumpe 4 verhindert, die sichere Funktion ist weiterhin sichergestellt, und die feine Blende 9 wird während Phasen hohen Drucks gereinigt (Selbstheilungsverhalten) .
Der Fig. 5 ist eine weitere, abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zu entnehmen. Um das Volumen-Druckverhalten der Dämpfungskammer 8 nach Bedarf zu modellieren, sind mehrere metallische Elastokörper 23 in der Dämpfungskammer 8
aufgenommen. Die Elastokörper 23 können beispielsweise wie eine hermetisch dicht geschlossene, kompressible Barometerdose ausgeführt sein. Die Elastokörper 23 dienen zur Beeinflussung und Herstellung der gewünschten Elastizität E. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Volumenaufnahme relativ wenig Bremsflüssigkeitsvolumen in den Aufnahmekörper eingefüllt werden muss, und dass gleichzeitig eine definierte Elastizität vorgesehen ist.
Bezugs zeichenliste
1 Aufnahmekörper
2 elektrohydraulisches Ventil
3 elektrohydraulisches Ventil
4 Pumpe
5 Saugventil
6 Druckventil
7 Dämpfungseinheit
8 Dämpfungskammer
9 Blende
10 Blende
11 Rückschlagventil
12 Bypass
13 Ventilkörper
14 Ventilsitz
15 Membran
16 Raum
17 Verschluss
18 Bohrung
19 Kerbe
20 Sieb
21 Boden
22 Gehäuse
23 Elastokörper
HCU Hydraulikaggregat
K Knick
M Motor
THZ Betätigungseinheit
B Radbremse
DM Druckmittel
E Elastizität
U Umgebungsatmosphäre p Druck
V Volumen p_D Dämpfungskammerdruck p VR Radbremsdruck t Zeit