WO2001055595A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

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WO2001055595A1
WO2001055595A1 PCT/EP2001/000585 EP0100585W WO0155595A1 WO 2001055595 A1 WO2001055595 A1 WO 2001055595A1 EP 0100585 W EP0100585 W EP 0100585W WO 0155595 A1 WO0155595 A1 WO 0155595A1
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WO
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piston
seal
pump
pressure chamber
pump according
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PCT/EP2001/000585
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Volz
Original Assignee
Continental Teves Ag & Co. Ohg
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Publication date
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Application filed by Continental Teves Ag & Co. Ohg filed Critical Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/16—Casings; Cylinders; Cylinder liners or heads; Fluid connections
    • F04B53/162—Adaptations of cylinders
    • F04B53/164—Stoffing boxes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/32—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration
    • B60T8/34—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration having a fluid pressure regulator responsive to a speed condition
    • B60T8/40—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration having a fluid pressure regulator responsive to a speed condition comprising an additional fluid circuit including fluid pressurising means for modifying the pressure of the braking fluid, e.g. including wheel driven pumps for detecting a speed condition, or pumps which are controlled by means independent of the braking system
    • B60T8/4031—Pump units characterised by their construction or mounting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B5/00—Machines or pumps with differential-surface pistons
    • F04B5/02—Machines or pumps with differential-surface pistons with double-acting pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/20—Filtering

Definitions

  • the invention relates to a piston pump for conveying hydraulic fluid, in particular for
  • Vehicle brake systems with a stepped piston which is axially displaceable in a pump chamber, the piston chamber with a piston section into a low-pressure chamber and into a
  • the stepped piston comprises a section with a shoulder facing the high pressure chamber, and with a pump spring arranged in the high pressure chamber, which piston pump a the high pressure chamber against the
  • low pressure chamber sealing gasket e.g. contains a sealing ring.
  • Piston pumps are used in brake systems. They pump the brake fluid into the brake circuits of wheel brakes. The pressure in the brake circuits rises until there is brake intervention on the vehicle's wheel brakes.
  • the piston divides the pump chamber into two separate pump chambers.
  • One pump chamber (low pressure chamber) communicates with a pump inlet via an intake duct and the other pump chamber (high pressure chamber) communicates with a pump outlet via a pressure duct.
  • a pump spring which resets the stepped piston after it has reached its top dead center position acts on the end face of the piston via a suction valve cup receiving a suction valve.
  • the suction valve pot has a foot with one annularly surrounding the end face of the stepped piston on which a pump spring is supported.
  • High pressure chamber is compressed until a pressure valve shutting off the high pressure chamber opens and releases a pump outlet.
  • the volume in the low-pressure chamber increases during the piston movement to the top dead center position.
  • the hydraulic fluid located in the low pressure chamber is pre-compressed during the suction stroke taking place in the high pressure chamber and is displaced into the high pressure chamber after overcoming the effective spring opening force of the suction valve.
  • Brake power is boosted by means of a hydraulic pump.
  • the pumps multiple piston pumps and / or gear pumps
  • So-called volume swallowing cylinders were also used. This
  • the invention has for its object to provide a piston pump for conveying hydraulic fluid, in particular for vehicle brake systems with an OHB or ESP, which can be manufactured inexpensively and enables a high delivery rate.
  • the invention is based on a suction-optimized piston pump for conveying hydraulic fluid, in particular for vehicle brake systems, which has a stepped piston which can be axially displaced in a pump chamber and which divides the pump chamber into a low-pressure chamber and a high-pressure chamber with a variable chamber volume with a piston section, the stepped piston being one Section with a shoulder facing the high-pressure chamber comprises a seal that seals the high-pressure chamber against the low-pressure chamber, eg a sealing ring, contains.
  • a pump spring is also arranged in the high pressure chamber.
  • the object is achieved in that means are assigned to the seal which enable the seal to move relative to the stepped piston. These means are preferably arranged in the pump room.
  • the pump delivery rate can in principle be switched.
  • the seal is axially displaceable relative to the movement of the piston via an elastic element held or supported on the shoulder of the stepped piston.
  • a relative movement of the seal means in particular a movement of the seal when the pump spring is stationary.
  • the means associated with the seal is arranged between the seal and the shoulder of the stepped piston.
  • the means assigned to the seal enables a predetermined axial displacement of the piston before the piston takes the seal directly or indirectly through the shoulder of the stepped piston.
  • an elastic element is provided as the means, which is supported against a holding element, which is supported against the shoulder of the stepped piston.
  • the holding element is pot-shaped and has a support element extending along a piston bore. Then another area of the holding element preferably forms a base part.
  • At least a partial area of the support element forms a stop surface.
  • the displacement element preferably has also a stop surface.
  • a spring assembly consisting of one or more springs is provided as the elastic element.
  • the spring assembly is set to a predetermined force via a plastic deformation of the holding element, in order to generate a defined switching pressure of the pump, at which the delivery rate of the pump is switched.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown in the figures (Fig. 1 and Fig. 2) and is described in more detail below by way of example.
  • FIG. 2 shows the detail of a longitudinal section of a piston pump shown in FIG. 1, the forces being entered schematically
  • the piston pump shown in detail in longitudinal section in FIG. 1 for conveying hydraulic fluid is provided in particular as a pump in a brake system of a motor vehicle and is used to boost and / or to control the pressure in wheel brake cylinders.
  • the piston pump has a pump body 10, in which a cylindrical pump chamber 11 with an inner diameter D and a cross-sectional area A is formed.
  • a stepped piston 12 is axially displaceably guided by a driven eccentric, not shown is driven in a reciprocating stroke movement against the restoring force of a pump spring 13.
  • the stepped piston 12 consists of a cylindrical piston shaft 14 which has a smaller-diameter (diameter d lr cross-sectional area A t ) cylinder section 16 and a larger-diameter (diameter d 2 ,
  • Cross-sectional area A 2 has cylinder section 17, at the transition of which a radially extending shoulder 18 is formed. Thanks to the stepped piston design (grading Aj to A 3 ), excellent pumping speed is achieved even at low temperatures.
  • the outer diameter of the sealing ring 1 corresponds to the inner diameter D of the pump chamber and the inner diameter of the sealing ring 1 corresponds to the diameter d j of the smaller-diameter cylinder section 16 of the piston skirt 14.
  • the seal 1 is axially displaceable along the center line of the stepped piston 14.
  • the seal 1 is supported on the shoulder 18 via a sliding element 2 and holding element 3 held on the first cylinder section 16 of the piston shaft 14.
  • the holding element 3 is pot-shaped and has a spring assembly 4 which is held in a support element 5, so that the displacement element 2 is supported on the holding element 3 via the spring assembly 4.
  • the spring assembly 4 is prestressed in the holding element 3 and is set to a predetermined force via the plastic deformation of the holding element 3.
  • the holding element 3 is in the direction of Sliding element 2 against the spring force of the spring assembly axially movable up to a stop which is formed by a stop surface 6 of the support element 5 and a stop surface 7 of the sliding element 2.
  • the spring assembly 4 is protected against overload by the
  • Stop surfaces 6, 7 and the holding element 3 with dimension H are protected against overload since the distance H is greater than the displacement path S- ..
  • a suction valve 22 and a pressure valve 23 are connected coaxially in series within the pump chamber 11.
  • the suction valve 22 is pressed due to the action of a valve spring 24 in the direction of the valve seat arranged on the stepped piston 12.
  • the pump spring 13 contacted within the compression space 26 for the purpose of
  • Piston reset the radially extending foot 27 of a suction valve pot 28, in which the suction valve with the valve spring 24 is arranged.
  • the valve spring 24 is supported on the bottom 29 of the suction valve cup 28 and the pump spring 13 with its opposite winding ends on the valve seat body 30 of the pressure valve 23.
  • the foot 27 of the suction valve cup 28 is acted upon by the pump spring 13 and presses the seal 1, the displacement element 2 and the holding element 3 against the shoulder 18 of the piston skirt 14 and thus resets the stepped piston 12. This is a very exact one
  • Switchover pressure p 0 of the pump can be achieved.
  • the pump spring 13 which resets the stepped piston 12 after it has reached its top dead center position, acts on the seal 1 via the stepped foot 27 with a ring 31 surrounding the end face of the stepped piston 12.
  • the suction valve 22 In operation of the piston pump, the suction valve 22 is in the closed position when the stepped piston 12 is off bottom dead center position compressed from hydraulic fluid in the high pressure chamber 26 until the pressure valve 23 opens and releases the pump outlet 32. At the same time, the volume uptake in the low pressure chamber 33 increases during the piston movement to the top dead center position. As soon as the stepped piston 12 moves back from the top dead center position to the bottom dead center position under the action of the pump spring 13, the suction stroke taking place in the high pressure chamber 26 becomes that in the low pressure chamber 33 hydraulic fluid located and displaced after overcoming the effective spring opening force of the suction valve 22 in the high pressure chamber 26.
  • the seal 1 is subjected to a sealing pressure by the hydraulic fluid, since the pressure in the high-pressure chamber 26 is significantly greater than in the low-pressure chamber 33.
  • the pressure difference acts on the seal 1 against the displacement element 2 and the holding element 3.
  • the seal 1 moves relative to the stepped piston 12 against the spring force of the spring assembly 4. Only when the
  • Displacement path S x is overcome and the abutment surfaces 6 and 7 abut, the stepped piston 12 takes the seal 1 again.
  • the cylindrical piston shaft 14 is sealed in the low-pressure chamber with an annular seal 38 arranged on the shoulder 37 of the pump body 10 with respect to the eccentric space, which is not shown in detail.
  • An elastic means preferably designed as a spring 39, holds the seal 38 in the axial direction on the shoulder 37, the spring 39 prestressing the seal 38.
  • the spring 39 is supported against the holding element 3 so that a spring force acts in the direction of the shoulder 18 with each stroke.
  • a filter 41 is arranged between the spring 39 and the seal 38 in the region of the pump inlet 40. The suctioned hydraulic fluid can thus be filtered off in the suction area.
  • the filter 41 is preferably provided with two support rings 42, 43, which are arranged between the spring and the filter or between the seal and the filter.
  • the pump according to the invention is particularly suitable for OHB systems without a hydraulic accumulator (high-pressure accumulator), in which pumps with a very high delivery rate are required.
  • the high delivery rate is required to first bridge the air clearances on the wheel brake cylinders in the wheel brake circuits and then quickly build up the required brake pressure.
  • multiple pumps are possible for dual-circuit systems or for noise reduction.
  • FIG 3 shows a representation of the pressure medium volume uptake on a wheel brake circuit (volume-pressure diagram)
  • Fig. 5 shows another illustration of the spring tension work of a piston pump (force-displacement diagram).
  • FIG. 3 which shows the volume uptake (application of the volume (V) against the pressure (P)) of a wheel brake in an idealized representation
  • the characteristic of the wheel brake circuit can be simplified can be divided into 2 basic areas (areas I and II). Up to a certain point p 0 , the gradient of the volume (V) to the pressure (p) (V / p gradient) is relatively high. After the break point at p 0, the gradient of the volume curve V flattens out significantly.
  • very high electrical outputs are required for pumps that pump constantly. These services are not provided by today's vehicle electronics systems.
  • the spring always takes up a certain power.
  • the average power P 0 for p ⁇ p 0 is :
  • the spring assembly 4 also always takes up spring tension work / power at pressures P> p 0 :
  • the average spring tension P 0F is given by:
  • the work / performance is only partially recoverable; it represents a loss.
  • the pump inserts can easily be designed as multiple pumps and are suitable for both OHB systems without high-pressure storage and ESP applications. They can be integrated into the existing systems without major design changes. Further configurations are conceivable in the design of the pump.
  • the binding of the spring assembly, the design of the piston 14 and the 5 suction valve can be varied in many ways.
  • the invention is also not limited to a pump with a stepped piston; rather, the invention can expressly also be used on piston pumps without a 1 () stepped piston.

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Abstract

Eine Kolbenpumpe fördert Hydraulikflüssigkeit, insbesondere für Fahrzeugbremsanlagen, mit einem in einem Pumpenraum (11) axial verschiebbaren Stufenkolben (12), der mit einem Kolbenabschnitt den Pumpenraum in eine Niederdruckkammer (33) und in eine Hochdruckkammer (26) mit variablem Kammervolumen unterteilt. Der Stufenkolben umfaßt einen Abschnitt mit einer der Hochdruckkammer (26) zugewandten Schulter (18). Eine in der Hochdruckkammer angeordneten Pumpenfeder (13) weist eine die Hochdruckkammer (26) gegen die Niederdruckkammer (33) dichtende Dichtung (1) auf, der Mittel (4) zugeordnet sind, die eine Relativbewegung der Dichtung zum Stufenkolben ermöglichen.

Description

Kolbenpumpe
K) Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit, insbesondere für
Fahrzeugbremsanlagen, mit einem in einem Pumpenraum axial verschiebbaren Stufenkolben, der mit einem Kolbenabschnitt den Pumpenraum in eine Niederdruckkammer und in eine
1 Hochdruckkammer mit variablem Kammervolumen unterteilt, wobei der Stufenkolben einen Abschnitt mit einer der Hochdruckkammer zugewandten Schulter umfaßt, und mit einer in der Hochdruckkammer angeordneten Pumpenfeder, welche Kolbenpumpe eine die Hochdruckkammer gegen die
2() Niederdruckkammer dichtende Dichtung, z.B. einen Dichtring, enthält.
Kolbenpumpen werden in Bremsanlagen eingesetzt. Sie fördern die Bremsflüssigkeit in die Bremskreise von Radbremsen. Der 25 Druck in den Bremskreisen steigt dadurch an, bis ein Bremseingriff an den Radbremsen des Fahrzeugs erfolgt.
Der Kolben unterteilt den Pumpenraum dabei in zwei voneinander getrennte Pumpenkammern. Die eine 0 Pumpenkammer (Niederdruckkammer) steht über einen Ansaugkanal mit einem Pumpeneinlaß und die andere Pumpenkammer (Hochdruckkammer) über einen Druckkanal mit einem Pumpenauslaß in Verbindung.
35 Kolbenpumpen mit Stufenkolben sind bekannt. Eine dem Stufenkolben nach Erreichen seiner oberen Totpunktlage zurückstellende Pumpenfeder wirkt über einen, ein Saugventil aufnehmenden Saugventiltopf auf die Stirnseite des Kolbens. Der Saugventiltopf weist einen Fuß mit einer kreisringförmig die Stirnseite des Stufenkolbens umgebenden Auflage auf, auf der sich eine Pumpenfeder abstützt. Im Betrieb der Kolbenpumpe befindet sich das Saugventil in Schließstellung, wenn der Stufenkolben von seiner unteren Totpunktlage aus Hydraulikflüssigkeit in der
Hochdruckkammer so lange komprimiert, bis ein die Hochdruckkammer absperrendes Druckventil öffnet und einen Pumpenausgang freigibt. Gleichzeitig vergrößert sich während der Kolbenbewegung zur oberen Totpunktlage die Volumenaufnahme in der Niederdruckkammer. Sobald sich der Stufenkolben unter der Wirkung der Pumpenfeder von der oberen Totpunktlage zur unteren Totpunktlage zurückbewegt, wird während des in der Hochdruckkammer stattfindenden Saughubes die in der Niederdruckkammer befindliche Hydraulikflüssigkeit vorkomprimiert und nach Überwindung der wirksamen Federöffnungskraft des Saugventils in die Hochdruckkammer verdrängt.
Besondere Anforderungen ergeben sich bei einer sog. optimierten hydraulischen Bremse (OHB) bei der die
Bremskraftverstärkung mittels einer hydraulischen Pumpe erfolgt. Daher wurden versuchsweise die Pumpen (Mehrfach- Kolbenpumpen und/oder Zahnradpumpen) mit sehr starken Elektromotoren betrieben. Auch sog. Volumenschluckzylindern wurden eingesetzt. Diese
Lösungen haben den entscheidenden Nachteil, daß sie sehr bauteil-, volumen-, gewichts- und kostenaufwendig sind. Darüber hinaus sind bei diesen Lösungen gerade im Fall der Volumenschluckzylinder zusätzliche Kolben, Dichtungselemente und Federn erforderlich.
Ähnliches gilt für Systeme mit Fahrdynamikregelung (ESP) bei sehr tiefen Temperaturen. Auch hier müssen sehr schnell auch bei tieferen Temperaturen hohe Drücke . erzeugt werden. Dazu sind Pumpen mit großer
Förderleistung erforderlich, um die Sättel mit der dann nur niedrigviskosen Bremsflüssigkeit entsprechend schnell zu füllen. Diese Pumpen sind für die Rückförderung in einem ABS-Regelmodus weit überdimensioniert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit, insbesondere für Fahrzeugbremsanlagen mit einer OHB oder ESP, zu schaffen, die kostengünstig hergestellt werden kann und eine hohe Förderleistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von einer saugoptimierten Kolbenpumpe zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit, insbesondere für Fahrzeugbremsanlagen, aus, die einen in einem Pumpenraum axial verschiebbaren Stufenkolben aufweist, der mit einem Kolbenabschnitt den Pumpenraum in eine Niederdruckkammer und in eine Hochdruckkammer mit variablem Kammervolumen unterteilt, wobei der Stufenkolben einen Abschnitt mit einer der Hochdruckkammer zugewandten Schulter umfaßt, die eine die Hochdruckkammer gegen die Niederdruckkammer dichtende Dichtung, z.B. ein Dichtring, enthält. In der Hochdruckkammer ist ferner eine Pumpenfeder angeordnet. Die Grundfunktionen derartiger saugoptimierter Pumpen sind beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen 198 54 715.3, 198 54 716.1 und 198 54 719.6 erläutert, auf die hier ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen wird. Daher kann hier auf eine Beschreibung der Grundfunktionen verzichtet werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Dichtung Mittel zugeordnet sind, die eine Relativbewegung der Dichtung zum Stufenkolben ermöglichen. Diese Mittel sind vorzugsweise im Pumpenraum angeordnet.
Da die Dichtung, welche die Hochdruckkammer gegen die Niederdruckkammer abdichtet, relativ zum Stufenkolben bewegbar ausgebildet ist, ist die Förderleistung der Pumpe im Grundsatz umschaltbar.
Es ist vorgesehen, daß die Dichtung über ein an der Schulter des Stufenkolbens gehaltenes oder gelagertes elastisches Element relativ zur Bewegung des Kolbens axial verschiebbar ist. Eine relative Bewegung der Dichtung bedeutet insbesondere eine Bewegung der Dichtung bei unbewegter Pumpenfeder.
Nach der Erfindung ist das der Dichtung zugeordnete Mittel zwischen der Dichtung und der Schulter des Stufenkolbens angeordnet .
Erfindungsgmäß ist es vorgesehen, daß das der Dichtung zugeordnete Mittel eine vorgegebene axiale Verschiebung des Kolbens ermöglicht, bevor der Kolben die Dichtung direkt oder indirekt durch die Schulter des Stufenkolbens mitnimmt.
In' Ausgestaltung der Erfindung ist als Mittel ein elastisches Element vorgesehen, das sich gegen ein Halteelement abstützt, das sich gegen die Schulter des Stufenkolbens abstützt.
Nach der Erfindung ist das Halteelement topfförmig ausgebildet und weist eine entlang einer Kolbenbohrung sich erstreckendes Stützelement auf. Dann bildet vorzugsweise ein anderer Bereich des Halteelements ein Bodenteil.
Erfindungsgemäß bildet zumindest ein Teilbereich des Stützelements einen Anschlagfläche.
Es ist vorgesehen, daß die Dichtung sich an einem
Verschiebeelement abstützt, der sich an dem elastischen Element abstützt. Das Verschiebeelement weist vorzugsweise ebenfalls eine Anschlagfläche auf.
In Ausgestaltung der Erfindung wird als elastisches Element ein aus einer oder mehreren Federn bestehendes Federpaket vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird das Federpaket über eine plastische Verformung des Halteelements auf eine vorgegebene Kraft eingestellt, zwecks Erzeugung eines definierten Umschaltdrucks der Pumpe, bei dem die Förderleistung der Pumpe umgeschaltet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen (Fig. 1 und Fig. 2) dargestellt und wird im folgenden beispielhaft näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ausschnittsweise einen Längsschnitt einer Kolbenpumpe für eine Fahrzeugbremsanlage,
Fig. 2 den in Fig. dargestellten Ausschnitt eines Längsschnitts einer Kolbenpumpe, wobei schematisch die Kräfte eingetragen sind,
Die in Fig. 1 ausschnittsweise im Längsschnitt dargestellte Kolbenpumpe zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit ist insbesondere als Pumpe in einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs vorgesehen und wird zur Verstärkung und/oder zum Steuern des Drucks in Radbremszylindern verwendet. Je nach Art der Bremsanlage werden die Kurzbezeichnungen ABS bzw. ASR und dergleichen verwendet. Die Kolbenpumpe weist einen Pumpenkörper 10 auf, in dem ein zylinderförmiger Pumpenraum 11 mit einem Innendurchmesser D und einer Querschnittsfläche A ausgebildet ist. Im Pumpenraum 11 ist ein Stufenkolben 12 axial verschieblich geführt, der von einem angetriebenen, nicht näher dargestellten Exzenter gegen die Rückstellkraft einer Pumpenfeder 13 in eine hin- und hergehende Hubbewegung angetrieben wird. Der Stufenkolben 12 besteht aus einem zylinderförmigen Kolbenschaft 14, der einen durchmesserkleineren (Durchmesser dl r Querschnittsfläche At) Zylinderabschnitt 16 und einen durchmessergrößeren (Durchmesser d2,
Querschnittsfläche A2) Zylinderabschnitt 17 aufweist, an deren Übergang eine radial verlaufende Schulter 18 ausgebildet ist. Durch die Stufenkolbenausführung (Stufung Aj zu A3) wird ein hervorragendes Saugvermögen auch bei tiefen Temperaturen realisiert.
Eine auf den Zylinderabschnitt 16 aufgeschobene Dichtung 1, vorzugsweise ein Elastomer-Dichtring, dichtet den Stufenkolben 12 gegenüber der Zylinderwand 21 des
Pumpenraums 11 ab. Die Abdichtung erfolgt gegenüber dem Pumpenraum 11 in einem äußeren Dichtringbereich 19 und einem inneren Dichtringbereich 20. Der Außendurchmesser des Dichtrings 1 entspricht dem Innendurchmesser D des Pumpenraums und der Innendurchmesser des Dichtrings 1 entspricht dem Durchmesser dj des durchmesserkleineren Zylinderabschnitts 16 des Kolbenschafts 14.
Die Dichtung 1 ist längs der Mittellinie des Stufenkolbens 14 axial verschiebbar. Die Dichtung 1 stützt sich über ein auf dem ersten Zylinderabschnitt 16 des Kolbenschafts 14 gehaltenes Verschiebeelement 2 und Halteelement 3 an der Schulter 18 ab. Das Halteelement 3 ist topfförmig ausgebildet und weist ein Federpaket 4 auf, das in einem Stützelement 5 gehalten wird, so daß das Verschiebeelement 2 sich über das Federpaket 4 an dem Halteelement 3 abstützt. Das Federpaket 4 ist in dem Halteelement 3 vorgespannt und wird über die plastische Verformung des Halteelements 3 auf eine vorgegebene Kraft eingestellt. Das Halteelement 3 ist in Richtung des Verschiebelements 2 gegen die Federkraft des Federpakets axial beweglich bis zu einem Anschlag, der durch eine Anschlagfläche 6 des Stützelements 5 und eine Anschlagfläche 7 des Verschiebelements 2 gebildet wird. Das Federpaket 4 wird gegen Überlast durch die
Anschlagflächen 6,7 und das Halteelements 3 mit dem Maß H vor Überlast geschützt, da der Abstand H größer ist als der Verschiebeweg S-..
Innerhalb des Pumpenraumes 11 sind ein Saugventil 22 und ein Druckventil 23 koaxial hintereinandergeschaltet . Das Saugventil 22 wird infolge der Wirkung einer Ventilfeder 24 in Richtung auf den am Stufenkolben 12 angeordneten Ventilsitz gedrückt. Die Pumpenfeder 13 innerhalb des Kompressionsraums 26 kontaktiert zum Zwecke der
Kolbenrückstellung den radial verlaufenden Fuß 27 eines Saugventiltopfes 28, in dem das Saugventil mit der Ventilfeder 24 angeordnet ist. Die Ventilfeder 24 stützt sich am Boden 29 des Saugventiltopfes 28 und die Pumpenfeder 13 mit ihren entgegengesetzten Windungsenden am Ventilsitzkörper 30 des Druckventils 23 ab. Der Fuß 27 des Saugventiltopfes 28 wird von der Pumpenfeder 13 beaufschlagt und preßt die Dichtung 1, das Verschiebeelement 2 und das Halteelement 3 gegen die Schulter 18 des Kolbenschaftes 14 und stellt damit den Stufenkolben 12 zurück. Damit ist ein sehr exakter
Umschaltdruck p0 der Pumpe realisierbar.
Die den Stufenkolben 12 nach Erreichen seiner oberen Totpunktlage zurückstellende Pumpenfeder 13 wirkt dabei über den stufenförmig ausgebildeten Fuß 27 mit einer kreisringförmig die Stirnseite des Stufenkolbens 12 umgebenden Auflage 31 auf die Dichtung 1.
Im Betrieb der Kolbenpumpe befindet sich das Saugventil 22 in Schließstellung, wenn der Stufenkolben 12 von seiner unteren Totpunktstellung aus Hydraulikflüssigkeit in der Hochdruckkammer 26 komprimiert, bis das Druckventil 23 öffnet und den Pumpenausgang 32 freigibt. Gleichzeitig vergrößert sich während der Kolbenbewegung zur oberen Totpunktlage die Volumenaufnahme in der Niederdruckkammer 33. Sobald sich der Stufenkolben 12 unter der Wirkung der Pumpenfeder 13 von der oberen Totpunktlage zu der unteren Totpunktläge zurückbewegt, wird während des in der Hochdruckkammer 26 stattfindenden Saughubes die in der Niederdruckkammer 33 befindliche Hydraulikflüssigkeit vorkomprimiert und nach Überwindung der wirksamen Federöff ungskraft des Saugventils 22 in die Hochdruckkammer 26 verdrängt. Mit Beginn des Kompressionshubes durch die sich in der Hochdruckkammer 26 einstellenden Drücke bis zu 220 bar ist die Dichtung 1 einer Dichtpressung durch die Hydraulikflüssigkeit unterworfen, da der Druck in der Hochdruckkammer 26 wesentlich größer ist als in der Niederdruckkammer 33. Die Druckdifferenz beaufschlagt die Dichtung 1 gegen das Verschiebeelement 2 und das Halteelement 3 . Dadurch bewegt sich die Dichtung 1 relativ zum Stufenkolben 12 entgegen der Federkraft des Federpakets 4. Erst wenn der
Verschiebeweg Sx überwunden ist und die Anschlagflächen 6 und 7 aneinanderstoßen, nimmt der Stufenkolben 12 die Dichtung 1 wieder mit.
Der zylinderförmige Kolbenschaft 14 ist in der Niederdruckkammer mit einer auf der Schulter 37 des Pumpenkörpers 10 angeordneten Ringdichtung 38 gegenüber dem nicht näher dargestellten Exzenterraum abgedichtet. Ein vorzugsweise als Feder 39 ausgebildetes elastisches Mittel hält die Dichtung 38 in axialer Richtung auf der Schulter 37, wobei die Feder 39 die Dichtung 38 vorspannt. Die Feder 39 stützt sich gegen das Halteelement 3 so ab, daß eine Federkraft bei jeder Hubbewegung in Richtung der Schulter 18 wirkt. Zwischen der Feder 39 und der Dichtung 38 ist im Bereich des Pumpeneinlasses 40 ein Filter 41 angeordnet. Damit kann in dem Ansaugbereich die angesaugte Hydraulikflüssigkeit abgefiltert werden. Bevorzugt ist das Filter 41 mit zwei Stützringen 42,43 versehen, die zwischen Feder und Filter bzw. zwischen Dichtung und Filter angeordnet sind. Durch die Ausbildung des Filters 41 mit den Stützringen 42,43 als Baueinheit wird die Teilevielfalt verringert und die Montage wesentlich erleichtert.
Die erfindungsgemäße Pumpe ist insbesondere für OHB- Syseme ohne hydraulischen Speicher (Hochdruckspeicher) geeignet, bei denen Pumpen mit einer sehr hohen Förderleistung erforderlich sind. Die hohe Förderleistung wird benötigt, um zunächst in den Rad-Bremskreisen die Lüftspiele an den RadbremsZylindern zu überbrücken und dann den erforderlichen Bremsdruck schnell aufzubauen. Selbstverständlich sind Mehrfachpumpen für zweikreisige Anlagen oder zur Geräuschreduzierung möglich.
Die Grundprinzipien und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Pumpe werden nun anhand der folgenden Abbildungen (Fig.3 bis Fig.5) erläutert.
Es zeigen:
Fig. 3 eine Darstellung der Druckmittel-Volumenaufnahme an einem Radbremskreis (Volumen-Druck-Diagramm),
Fig. 4 eine Darstellung der Federspannarbeit einer Kolbenpumpe (Kraft-Weg-Diagramm),
Fig. 5 eine andere Darstellung der Federspannarbeit einer Kolbenpumpe (Kraft-Weg-Diagramm) .
Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, die die Volumenaufnahme (Auftragung des Volumens (V) gegen den Druck (P)) einer Radbremse in idealisierter Darstellung zeigt, kann die Charakteristik des Radbremskreises in vereinfachter Weise in 2 Grundbereiche (Bereiche I und II) eingeteilt werden. Bis zu einem bestimmten Punkt p0 ist der Gradient des Volumens (V) zum Druck (p) (V/p-Gradient ) relativ hoch. Nach dem Knickpunkt bei p0 flacht der Gradient der Volumenkurve V deutlich ab. Um auf die geforderten kleinen Füllzeiten und großen Druckaufbaugradienten des Bremssattels zu kommen, wie sie -bei den herkömmlichen Vakuumverstärkern bekannt sind, sind bei konstant fördernden Pumpen sehr hohe elektrische Leistungen erforderlich. Diese Leistungen geben die heutigen Bordnetze der Fahrzeugelektronik nicht her.
Bei der erfindungsgemäßen Pumpe ist wesentlich, daß etwa bis zu dem Druck p0 eine hohe volumetrische Förderleistung zur Verfügung gestellt wird und nach dem Druck p0 auf eine geringere Förderleistung umgeschaltet wird.
Solange der Druck p1 kleiner ist als der gewählte Druck p0 wird das Volumen Q entsprechend der Fläche At und dem Hub S ausgestoßen:
Qj = Al • S • n • ηv
Ist der Druck p-_ größer als p0, wird das gefesselte
Federpaket 4 durch die hydraulische Reaktionskraft FH1 entgegen der Federkraft FF bzw. der Stützkraft FA bis zu einem maximal möglichen Weg Sj zusammengeschoben in x-
Richtung (siehe Fig. 1 und 2). Vorzugsweise entspricht demnach der Hub bis zum Anschlag (maximal möglicher Weg
S- ca. dem Pumpenhub. Wenn Sj gleich 0 ist, fördert die Pumpe nur noch das Volumen Q2:
Q2 = {(Ai • S - (Aχ - A2) • Sj } • n • ηv mit S-= S gilt: Q2jres = A2 • S • n • ηv
Durch die vorgeschlagene Fördermengenumschaltung (bei p = p0) ist es möglich, die Leistung und damit die Baugröße der Elektromotoren deutlich zu reduzieren. Denn die Spitzenleistung des Motors muß nicht wie bei bekannten
Systemen auf das maximale Fördervolumen Qλ im Bereich p < p0 und gleichzeitig auf den maximalen Systemdruck pmax von ca. 220 bar ausgelegt werden.
Die Feder nimmt immer eine bestimmte Leistung auf. Die mittlere Leistung P0 beträgt für p < p0:
P01 = A: • S • n • ηv • ηm • P
Auch das Federpaket 4 nimmt bei Drücken P > p0 immer eine Federspannarbeit/-leistung auf:
Wenn die Federarbeit zurückgewonnen wird, dann gilt:
P2 = A2 • S • n • ηv • ηm • P
Die mittlere Federspannleistung P0F ist gegeben durch:
P0F = wF • n
Wird die Federspannarbeit nicht zurückgewonnen (100% Verlust), dann gilt für p > p0 (siehe Fig. 4, schraffierte Fläche unterhalb der Geraden = Federspannarbeit WF(1*,):
P2* = A2 » S » n » ηv « ηm » P + WF » n = {A2 • S • ηv • ηm • P + WF}« n
Die Arbeit/Leistung ist nur teilweise rückgewinnbar; sie stellt einen Verlust dar.
Um diesen Verlust zu minimieren, wird gemäß der Erfindung ein Tellerfederpaket vorgeschlagen, bei dem nach Erreichen des Drucks p0 mit einer negativen
Federkonstanten gearbeitet wird. Siehe hierzu die Fig. 5 (schraffierte Fläche unterhalb der Geraden -
Federspannarbeit WF{2) ) . Durch das eingesetzte
Tellerfederpaket mit negativer Federsteifigkeit wird die
Federspannarbeit/-leistung stark reduziert (WF(2j « WF{1)) und der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe verbessert.
Durch gezielt ausgewählte Kennlinien der Federpakete, lassen sich auch nahezu stufenlose Anpassungen der
Umschaltpunkte der Pumpe von p01 bis p0n realisieren.
Ein ganz wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß keine zusätzlichen Dichtelemente, keine zusätzlichen Kolben, keine zusätzlichen Federpakete und kein zusätzlich größerer Bauraum erforderlich werden.
Die Pumpeneinsätze sind leicht als Mehrfachpumpen auszubilden und eignen sich sowohl für OHB-Systeme ohne Hochruckspeicher als auch ESP-Anwendungen. Sie können ohne große Designänderungen in die bestehenden Systeme integriert werden. Weitere Ausgestaltungen sind in der konstruktiven Ausführung der Pumpe denkbar. Die Fesselung des Federpakets, die Ausführung des Kolbens 14 sowie des 5 Saugventils kann in vielfältiger Weise variiert werden.
Die Erfindung ist im Grundsatz auch nicht auf eine Pumpe mit einem Stufenkolben beschränkt, vielmehr kann die Erfindung ausdrücklich auch an Kolbenpumpen ohne einen l() gestuften Kolben zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste
1 Dichtring
2 Verschiebeelement 5 3 Halteelement
4 Federpaket
5 Stützelement
6 Anschlagfläche Stützelement
7 Anschlagfläche Verschiebeelement i() 10 Pumpenkörper
11 Pumpenraum
12 Stufenkolben
13 Pumpenfeder
14 Kolbenschaft
15 16 erster Zylinderabschnitt
17 zweiter Zylinderabschnitt
18 Schulter (Mitnahmefläche Kolben)
19 Dichtringbereich außen
20 Dichtringbereich innen 20 21 Zylinderwand
22 Saugventil
23 Druckventil
24 Ventilfeder Saugventil
26 Hochdruckkammer (Kompressionsraum)
25 27 Fuß Saugventiltopf
28 Saugventiltopf
29 Boden Saugventiltopf
30 Ventilsitzkörper
31 Auflage
30 32 Pumpenausgang
33 Niederdruckkammer
37 Schulter des Pumpenkörpers
38 Dichtung
39 Feder
35 40 Pumpeneinlaß
41 Filter
42,43 Stützringe Verwendete Größen
A Querschnittsfläche Pumpenraum
Aj Querschnittsfläche Zylinderabschnitt 16
5 A2 Querschnittsfläche Zylinderabschnitt 17
D Innendurchmesser Pumpenraum dj Durchmesser Zylinderabschnitt 16 d2 Durchmesser Zylinderabschnitt 17
FH1 Hydraulische Reaktionskraft am Dichtring i() FH2 Hydraulische Reaktionskraft am Kolben
Fή Stützkraft am Verschiebeelement
FF Federkraft
H Einstellmaß für Federpaket n Pumpendrehzahl
15 P0 Mittlere Leistung p0 Druck am Umschaltpunkt der Pumpe pλ Druck im Pumpenraum p2 Druck nach Auslaßventil
Q Volumenstrom
20 S Kolbenhub
Sj Verschiebeweg
V Volumen
WF Federspannarbeit
Xml Einfederung bezogen auf Kolbenanschlag
5 ηv Volumetrischer Wirkungsgrad ηm Mechanischer Wirkungsgrad

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenpumpe zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit, insbesondere für Fahrzeugbremsanlagen, mit einem in einem Pumpenraum axial verschiebbaren Stufenkolben, der mit einem Kolbenabschnitt den Pumpenraum in eine Niederdruckkammer und in eine Hochdruckkammer mit variablem Kammervolumen unterteilt, wobei der Stufenkolben einen Abschnitt mit einer der
Hochdruckkammer zugewandten Schulter umfaßt, und mit einer in der Hochdruckkammer angeordneten Pumpenfeder, welche Kolbenpumpe eine die Hochdruckkammer gegen die Niederdruckkammer dichtende Dichtung, z.B. ein Dichtring, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtung (1) Mittel (3,4) zugeordnet sind, die eine Relativbewegung der Dichtung (1) zum Stufenkolben (12) ermöglichen.
2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (1) über ein an der Schulter (18) des Kolbenschafts (14) gehaltenes oder gelagertes elastisches Element (3) relativ zur Bewegung des Kolbens (12) axial verschiebbar ist.
3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das der Dichtung (1) zugeordnete Mittel (3,4) zwischen der Dichtung (1) und der Schulter (18) des Kolbenschafts (14) angeordnet ist.
4. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das_ der Dichtung (1) zugeordnete Mittel (3,4) eine vorgegebene axiale
Verschiebung des Kolbens (12) ermöglicht, bevor der Kolben (12) die Dichtung (1) direkt oder indirekt durch die Schulter (18) des Kolbenschafts (14) mitnimmt.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (3,4) ein elastisches Element (4) vorgesehen ist, das sich gegen ein Halteelement (3) abstützt, das sich gegen die Schulter (18) des Kolbenschafts (14) abstützt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (3) topfförmig ausgebildet ist und vorzugsweise ein entlang einer Kolbenbohrung (21) sich erstreckendes Stützelement (5) aufweist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich des Stützelements (5) eine Anschlagfläche (6) bildet.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (1) sich an einem Verschiebeelement (2) abstützt, der sich an dem elastischen Element (4) abstützt.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (4) ein aus einer oder mehreren Federn bestehendes Federpaket ist.
10. Kolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Federpaket (4) über eine plastische Verformung des Halteelements (3) auf eine vorgegebene Kraft eingestellt wird, zwecks Erzeugung eines definierten Umschaltdrucks der Pumpe .
1. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (4) eine negative Federkonstante aufweist.
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