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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe einer Fahrzeugbremsanlage mit einem Zylinder und einem darin verschiebbar gelagerten Kolben, der gegenüber seiner Antriebsseite mittels einer Dichtungsanordnung fluiddicht abgedichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Hydroaggregat einer Fahrzeugbremsanlage mit einer solchen Kolbenpumpe sowie eine Fahrzeugbremsanlage mit einer solchen Kolbenpumpe.
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Ein Bestandteil von modernen Fahrzeugbremsanlagen ist ein Hydroaggregat, welches bei Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen verwendet wird, um geregelte Bremsdrücke bereitzustellen. Zum Dosieren der Bremsdrücke weist das Hydroaggregat eine Pumpe mit mehreren Pumpenelementen auf. Jedes Pumpenelement ist in der Regel als eine Kolbenpumpe gestaltet, bei der ein Kolben in einem Zylinder verschiebbar gelagert ist. Der Antrieb des Kolbens erfolgt über einen Exzenter, der auf einer von einem Motor angetriebenen Welle angebracht ist. Der Kolben verschiebt sich so in seiner Längsrichtung in einen Förderraum hinein und heraus, wodurch aufeinanderfolgend Förder- bzw. Saughübe ausgeführt werden.
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Zwischen dem Kolben und dem Zylinder befindet sich bauartbedingt ein Spalt, der mittels einer Dichtung verschlossen werden muss, um Leckage zu verhindern. Hierzu wird eine Dichtung angebracht, die innerhalb des Zylinders die Förderseite des Kolbens von dessen Antriebsseite fluiddicht trennt. Um eine möglichst reibungsfreie Bewegung des Kolbens im Zylinder zu ermöglichen, gleitet dieser auf einem Fluidfilm entlang einer Führung. Das mit einer Saughubbewegung mitgeführte Fluid wird in der Regel bei einer entgegengerichteten Förderhubbewegung mit Hilfe einer elastische Verfomung der Dichtung zurückgefördert. Bei dieser Förderhubbewegung entsteht in dem Förderraum und damit an der Dichtung ein hoher Druck. Entsprechend diesem hohen Druck muss die Dichtung dimensioniert sein.
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Zusätzlich führt die Bewegung des Kolbens mit der Zeit zu Abnutzungserscheinungen an der Dichtung, die sich als Risse oder als Spalte zwischen der Dichtung und dem Kolben zeigen. Diese Risse und Spalte können dann von dem Fluid durchströmt werden, wodurch das Fluid von der Förden- zur Antriebsseite gelangt. Ein solcher Leckstrom beeinträchtigt die Funktion der Kolbenpumpe in unerwünschter Weise.
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Ferner kann sich der Kolben durch Reibungskräfte, insbesondere auf der Antriebsseite, an einem Exzenterlager, erhitzen und dann die Dichtung derart thermisch belasten, dass diese zerstört wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, oben genannte Nachteile zu überwinden und eine Kolbenpumpe für eine Fahrzeugbremsanlage zu schaffen, welche im Vergleich zu bekannten Kolbenpumpen eine vereinfachte Fertigung mit kostengünstigeren Bauteilen ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe ist mit einer Kolbenpumpe gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner ist die Aufgabe mit einem Hydroaggregat gemäß Anspruch 9 sowie einer Fahrzeugbremsanlage gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist eine Kolbenpumpe einer Fahrzeugbremsanlage geschaffen, mit einem Zylinder und einem darin verschiebbar gelagerten Kolben, der gegenüber seiner Antriebsseite mittels einer Dichtungsanordnung fluiddicht abgedichtet ist, wobei die Dichtungsanordnung in eine Hochdruckdichtung und eine Niederdruckdichtung aufgeteilt ist.
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Die Dichtungsanordnung ist gemäß der Erfindung mehrteilig ausgebildet, nämlich als eine Hochdruck- und eine Niederdruckdichtung. Während des Betriebs der Kolbenpumpe treten bei einigen Fahrmanövern sehr hohe Drücke an der Pumpeneingangsseite (Saugseite) auf. Diese hohen Drücke wirken auf die Dichtungsanordnung zur Antriebsseite der Pumpe hin ein. Diese hohen Drücke sorgen für ein Andrücken der Dichtlippe des Hochdruckdichtringes an die Bohrungswandung. So wird der Raum zwischen der Niederdruckdichtung und der Hochdruckdichtung fluiddicht abgetrennt. Die Hochdruckdichtung ist daher vorteilhaft aus einem Werkstoff gebildet, der diesem hohen Druck widersteht und zugleich zuverlässig die Förderseite von der Antriebsseite fluiddicht trennen kann. Die Niederdruckdichtung ist hingegen dazu ausgebildet, bei niederen Drücken, die auf der Saugseite der Pumpe auftreten, ein Durchtreten von unerwünschtem Fluid von der Saugseite der Pumpe auf die Antriebsseite zu verhindern. Da der hohe Druck des Förderhubs nicht an der Niederdruckdichtung wirkt, kann diese vorteilhaft aus einem kostengünstigen, für gängige Dichtungen üblichen Werkstoff gestaltet sein. Die erfindungsgemäße Lösung dieser beiden unterschiedlichen Aufgabenstellungen, nämlich Abdichten bei Hochdruck bzw. Abdichten bei Niederdruck, mit einer mehrteiligen Dichtungsanordnung ermöglicht einen Einsatz von kostengünstigeren Bauteilen, die zudem leichter montiert werden können.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die Hochdruckdichtung ortsfest am Kolben festgelegt.
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Die ortsfest am Kolben angebrachte Hochdruckdichtung bewegt sich bei einer Bewegung des Kolbens mit diesem mit. Dazu ist die Hochdruckdichtung, beispielsweise auf den Kolben aufgepresst. Die sich derart bewegende Hochdruckdichtung kann den Spalt zwischen Kolben und Zylinder dadurch verschließen, dass sie sich – beispielsweise gestaltet als eine Labyrinthdichtung – axial gegen ein anderes, den Kolben umgebendes Bauteil – beispielsweise eine Verlängerung an einem Filtersieb – anlegt. Dieses axiale Anlegen erfolgt insbesondere am Ende der Förderhubbewegung, also in jenem Teil des Weges des Kolbens, in dem ein hoher Förderdruck erzeugt wird. Das axiale Anlegen schützt auch die Hochdruckdichtung vor Verschleißerscheinungen, wodurch die gesamte Dichtungsanordnung langlebiger wird.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die Hochdruckdichtung mit einem ortsfest am Kolben angeordneten Ringelement sowie einer daran ausgeformten und am Zylinder anliegenden Dichtlippe gestaltet.
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Ein als Ringelement ausgebildeter Bereich der Hochdruckdichtung verbindet diese, insbesondere kraftschlüssig, mit dem Kolben. Diese kraftschlüssige Verbindung ist besonders einfach herzustellen. Das Ringelement kann zugleich als eine Führung bzw. Stützring für den Kolben in dem Zylinder gestaltet sein. An dem Ringelement ist eine Dichtlippe ausgebildet, die den zu dichtenden Spalt überdeckt und an einem Außenumfang an dem Zylinder anliegt. Drückt während eines Förderhubs ein Fluid gegen die Dichtlippe, wird die Dichtlippe radial gegen den Zylinder gepresst. Der Spalt zwischen Kolben und Zylinder ist dadurch fluiddicht verschlossen. Die Dichtlippe ist vorteilhaft aus einem Werkstoff mit einer hohen Festigkeit hergestellt, der einem hohen Druck widerstehen kann. Eine Abnutzung der Dichtlippe läßt sich dadurch verringern und die Lebensdauer der gesamten Hochdruckdichtung erhöht sich. Das Ringelement führt also den Kolben im Zylinder und liegt bei hohen Drücken an dessen Wandung an.
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Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die Niederdruckdichtung mit einem im Querschnitt O-förmigen Ring gestaltet.
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Da erfindungsgemäß der hohe Druck, der durch den Föderhub entstehen kann, an der Hochdruckdichtung wirkt, ist die Niederdruckdichtung vorteilhaft so dimensioniert, allein dem niedrigeren Druck der Antriebsseite standzuhalten. Zur Abdichtung eines solchen Niederdrucks kann ein handelsüblicher im Querschnitt O-förmiger Ring, ein sogenannter O-Ring, eingesetzt werden. Die Abdichtung des Spalts zwischen Kolben und Zylinder kann so äußerst kostengünstig erfolgen.
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Gemäß einer vierten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die Niederdruckdichtung mit einem im Querschnitt C-förmigen Ring gestaltet.
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Die Niederdruckdichtung weist gemäß dieser Weiterbildung im Querschnitt eine C-Form auf. Durch diese Form kann die Niederdruckdichtung vorteilhaft einen langen Hubweg des Kolbens abdichten ohne das Volumen eines ihrem Radius entsprechenden O-Rings einnehmen zu müssen. Dieses Volumen wäre ggf. beim Bewegen des Kolbens zu komprimieren, was zu erhöhter Walkarbeit führen würde. Die Ausbildung ermöglicht auch vorteilhaft eine kompaktere Bauweise der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe. Darüber hinaus ist die C-Form auch für eine thermische Trennung zwischen Kolben und Gehäuse von Vorteil.
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Gemäß einer fünften vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die Niederdruckdichtung von der Mantelfläche des Kolbens radial beabstandet gehaltert.
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Zwischen der Niederdruckdichtung und der Mantelfläche des Kolbens befindet sich erfindungsgemäß ein Abstand. Dieser Abstand trennt die Niederdruckdichtung von der Mantelfläche des Kolbens. Erhitzt sich der Kolben während des Betriebs durch Reibungskräfte, beispielsweise am Exzenterlager, kann keine direkte Wärmeübetragung an die Niederdruckdichtung stattfinden. Eine unerwünschte thermische Belastung der Niederdruckdichtung ist somit ausgeschlossen. Ferner verhindert der Abstand ein Reiben des Kolbens an der Niederdruckdichtung, wodurch eine Abnutzung durch Abrieb verhindert wird.
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Gemäß einer sechsten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist ein Federelement vorgesehen, mit dem der im Querschnitt C-förmigen Ring radial nach außen gegen den Zylinder vorspannbar ist.
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Der im Querschnitt C-förmigen Ring, ein sogenannter C-Ring, ist mit einem inneren Hohlraum gebildet. In diesem Hohlraum befindet sich erfindungsgemäß ein Federelement. Das Federelement ist vorteilhaft als Ringfeder gestaltet, die den C-Ring radial nach außen, gegen eine innere Wandung des Zylinders presst. Der Zylinder kann an dieser inneren Wandung vorteilhaft eine Stufe aufweisen an der der C-Ring in axialer Richtung gehaltert ist. Die Erfindung umfasst ebenso die Ausbildung einer solchen Stufe am Kolben, wobei der C-Ring dann in axialer Richtung durch diese Stufe gehaltert ist. Ferner kann die Ringfeder vorteilhaft im Querschnitt V-förmig gestaltet sein, wodurch der C-Ring auch in axialer Richtung vorgespannt ist. Eine im Querschnitt C-förmige Niederdruckdichtung lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Federelements vorteilhaft sowohl in radialer als auch in axialer Richtung vorspannen, wodurch eine optimale Dichtwirkung während eines Hubs sichergestellt ist.
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Gemäß einer siebten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die Niederdruckdichtung dazu eingerichtet, dass sie zwischen dem Kolben und dem Zylinder in axialer Richtung dichtet.
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Die radial gegen die inneren Wandung des Zylinders vorgespannte Niederdruckdichtung liegt in axialer Richtung vorteilhaft an einer am Zylinder ausgebildeten Stufe sowie an der Hochdruckdichtung an. Bewegt sich der Kolben mit der Hochdruckdichtung in einem Saughub, wird die Niederdruckdichtung in axialer Richtung, zwischen Stufe und Hochdruckdichtung, zusammengestaucht. Dadurch wird die Niederdruckdichtung auf einen zwischen Hochdruckdichtung und Zylinder befindlichen Dichtspalt gepresst, der dadurch fluiddicht verschlossen ist. Die axial dichtende Niederdruckdichtung kann vorteilhaft als handelsüblicher Dichtring ausgebildet sein, was eine Montage vereinfacht und die Kosten senkt.
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Das erfindungsgemäße Hydroaggregat ist in vorteilhafter Weise mit einer derartigen erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ausgestattet. Die Aufgabe ist ferner mit einer Fahrzeugbremsanlage mit einer solchen erfindungsgemäßen Kolbenpumpe gelöst.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt die Fig. einen Längsschnitt einer erfindungsgemäße Kolbenpumpe.
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In der Fig. ist eine Kolbenpumpe 10 dargestellt, die ein Gehäuse bzw. einen Zylinder 12 und einen darin verschiebbar gelagerten Kolben 14 umfasst. Zwischen dem Zylinder 12 und dem Kolben 14 befindet sich ein Spalt 16. Dieser Spalt 16 wird mittels einer Dichtungsanordnung 18 fluiddicht verschlossen. Die Dichtungsanordnung 18 umfasst als dichtende Elemente eine Hochdruckdichtung 20 und eine Niederdruckdichtung 22. Die Schiebebewegung des Kolbens 14 ist grob von einem Führungsring 24 geführt.
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Der Kolben 14 wird im Betrieb von einem Exzenter 26 angetrieben. Der Exzenter 26 drückt dazu auf eine der Stirnseiten des Kolbens 14, wodurch dieser in axialer Richtung in die Gehäusebohrung bzw. den Zylinder 12 hinein geschoben wird und dadurch einen Förderhub ausübt. Für einen auf den Förderhub folgenden Saughub, wird der Kolben 14 von der Federkraft einer (nicht dargestellten) Feder axial Richtung aus dem Zylinder 12 herausgeschoben. Dabei wird auf der Förderseite des Kolbens 14 ein zu förderndes Fluid, vorliegend eine Bremsflüssigkeit, angesaugt.
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Um eine reibungsarme Bewegung des Kolbens 14 sicherzustellen, führt dieser einen Fluidfilm mit. Auf diesem Fluidfilm, der sich mit dem zu fördernden Fluid bildet, gleitet der Kolben 14 enlang der Gehäusebohrungswandung bzw. des Zylinders 12. Das zu fördernde Fluid gelangt so, mit jedem Saughub des Kolbens 14, in geringen Mengen auch am Führungsring 24 vorbei bis an die Hochdruckdichtung 20.
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Die Hochdruckdichtung 20 umfasst ein Ringelement 30 und eine Dichtlippe 32. Mittels des Ringelements 30 ist die Hochdruckdichtung 20 mit dem Kolben 14 an dessen Mantelfläche 28 kraftschlüssig verbunden. Aufgrund dieser Verbindung bewegt sich die Hochdruckdichtung 20 mit jeder Bewegung des Kolbens 14 mit. Die Dichtlippe 32 ist an dem Ringelement 30 ausgebildet, welche von dem Ringelement 30 bis an die Gehäusebohrungswand bzw. den Zylinder 12 reicht. Der Spalt 16 ist somit durch die Hochdruckdichtung 20 fluiddicht versperrt. Dabei verbleibt zwischen Dichtlippe 32 und Gehäuse bzw. Zylinder 12 lediglich ein schmaler Dichtspalt 34.
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Die Niederdruckdichtung 22 ist vorliegend als ein im Querschnitt C-förmiger Ring ausgebildet, der radial nach außen gerichtet geschlossen und radial nach innen gerichtet offen ist. Der C-förmige Ring umfasst so einen zentralen Hohlraum, der auf der einen Seite vom Ringelement 30 geschlossen ist und auf der anderen, zum Exzenter 26 hin gewandten Seite offen ist. In diesem Hohlraum befindet sich ein als Metallfeder 36 ausgebildetes Federelement. Die Metallfeder 36 spannt die Niederdruckdichtung 22 radial nach außen gegen den Zylinder vor. Dabei ist die Niederdruckdichtung 22 radial von dem Kolben 14 beabstandet, so dass dieser weder Reibungskräfte noch thermische Energie an die Niederdruckdichtung 22 abgeben kann. Die Metallfeder 36 ist im Querschnitt V-förmig ausgebildet und derart in der Niederdruckdichtung 22 angeordnet, dass sie die Niederdruckdichtung 22 auch in axialer Richtung gegen die anliegenden Bauteile – einerseits das Ringelement 30 und andererseits den Zylinder 12 – vorspannt. Die Niederdruckdichtung 22 liegt in axialer Richtung an einer Stufe 38 des Zylinders 12 und an der Hochdruckdichtung 20 auf. Dabei überdeckt die Niederdruckdichtung 22 den Dichtspalt 34.
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Die derart eingefasste Niederdruckdichtung 22 wird bei einer Bewegung des Kolbens 14 in axialer Richtung selbst komprimiert bzw. in axialer Richtung zusammengedrängt. Dabei stellt die Metallfeder 36 die Niederdruckdichtung 22 bei einer derart axial gerichtete Verformung mit ihrer Federkraft zurück.
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Beim Förderhub gelangt ein Teil des Fluids in einen Zwischenraum 40, der begrenzt wird von dem Zylinder 12, dem Kolben 14, dem Führungsring 24 und der Hochdruckdichtung 20. Da sich die Hochdruckdichtung 20 mit dem Kolben 14 mitbewegt, bewirkt dies einerseits eine Rückförderung des im Zwischenraum 40 angesammelten Fluids. Andererseits übt der Druck im Zwischenraum 40, insbesondere auf die Hochdruckdichtung 20, eine Druckkraft aus. Diese Druckkraft presst die Dichtlippe 32 der Hochdruckdichtung 20 radial nach außen gegen das Gehäuse bzw. den Zylinder 12. Die Druckkraft ist durch eine gezielte Formgebung der Dichtlippe 32 so bemessen, dass die Hochdruckdichtung 20 eine Leckage des Fluids weitestgehend verhindert.
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Beim Saughub bewegt sich der Kolben 14, in axialer Richtung, aus dem Gehäuse bzw. Zylinder 12 hinaus. Dabei übt der Kolben 14, mittels der Hochdruckdichtung 20, auf die zwischen der Hochdruckdichtung 20 und Stufe 38 angeordnete Niederdruckdichtung 22 eine Kraft aus. Durch diese Kraft verformt sich, wie oben bereits erwähnt, die Niederdruckdichtung 22 und die darin angeordnete Metallfeder 36. Durch das Verformen liegt die Niederdruckdichtung 22 so zwischen der Stufe 38 und der Hochdruckdichtung 20 an, dass der Dichtspalt 34 fluiddicht verschlossen ist. Zusätzlich presst die Metallfeder 36 die Niederdruckdichtung 22 axial nach außen gegen den Zylinder 12, so dass auch dadurch der Dichtspalt 34 während des gesamten Hubs fluiddicht versperrt ist.
