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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzerventil gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, ein Membranmodul für einen optischen Drucksensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 5, ein Kalibrierverfahren für einen das Membranmodul umfassenden optischen Drucksensor vor dessen Inbetriebnahme gemäß Oberbegriff von Anspruch 9, ein Kalibrierverfahren für einen das Membranmodul umfassenden optischen Drucksensor während eines Betriebs in einer Kraftfahrzeugbremsanlage gemäß Oberbegriff von Anspruch 10 sowie eine Verwendung des Membranmoduls.
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Mit zunehmenden Ansprüchen an die Feinfühligkeit der Regelung von Kraftfahrzeugbremsanlagen, insbesondere im Bereich auch kleinster Hydraulikdrücke, ist es erforderlich, die jeweils vorherrschenden Druckverhältnisse in der Kraftfahrzeugbremsanlage möglichst exakt zu bestimmen. Zum Bestimmen der Druckverhältnisse sind im Stand der Technik dabei im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze bekannt: Zum Einen die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren, zum Anderen die indirekte Druckerfassung, z.B. über das vordruckbelastete Auslaufverhalten des elektrischen Motors eines Motorpumpenaggregats. Die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren ermöglicht dabei in der Regel eine vergleichsweise genauere Druckbestimmung, ist allerdings auch mit höherem Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden. Im Bereich der direkt messenden Drucksensoren sind zudem sogenannte optische Drucksensoren bekannt.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2011 085 329 A1 einen optischen Druckfühler, welcher einen hydraulischen Druck in einer Fahrzeugbremsanlage erfühlt. Der optische Druckfühler umfasst einen optischen Sender in Form einer Leuchtdiode, einen optischen Empfänger in Form einer Photodiode oder eines Phototransistors und eine reflektierende Membran. Der optische Sender emittiert dabei Licht auf die Membran, welche das auf sie fallende Licht reflektiert, und der optische Empfänger empfängt das reflektierte Licht, um daraus ein elektrisches Signal zu erzeugen. Wenn die Membran nun mit einem zu erfühlenden Druck beaufschlagt wird, so verwölbt sich diese. Die Verwölbung wiederum bewirkt eine Änderung des Anteils des zum Empfänger reflektierten Lichts, wodurch sich auch das elektrische Signal ändert. Das elektrische Signal ist somit ein Maß für den hydraulischen Druck.
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Aus der unveröffentlichten
DE 10 2013 210 349.2 ist eine optische Druckmessvorrichtung bekannt, welche ähnlich dem Druckfühler der
DE 10 2011 085 329 A1 aufgebaut ist, zusätzlich aber einen Referenzempfänger umfasst. Der Referenzempfänger empfängt ebenfalls Licht vom optischen Sender, allerdings unabhängig von der Membranverwölbung. Aus der empfangenen Lichtleistung erzeugt der Referenzempfänger nun ein elektrisches Referenzsignal, welches somit ein Maß für die vom optischen Sender abgegebene Lichtleistung darstellt und dabei nicht vom auf die Membran wirkenden Druck beeinflusst wird. Mittels eines weiterhin vorgesehenen Elektronikmoduls wird das elektrische Referenzsignal überwacht, wobei das Elektronikmodul den optischen Sender derart regelt, dass das elektrische Referenzsignal und somit die abgegebene Lichtleistung konstant bleiben. Dies ermöglicht das Ausgleichen von Alterungserscheinungen des optischen Senders.
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Die im Stand der Technik bekannten optischen Drucksensoren sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass die mit dem zu erfassenden Druck beaufschlagte Membran nur innerhalb eines begrenzten Verformungsbereichs reversibel verformbar ist. Bei einem die Elastizitätsgrenze übersteigenden, auf die Membran wirkenden Druck, wird diese somit irreversibel verformt. Dies bewirkt die Zerstörung oder zumindest Beschädigung des Drucksensors.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Druckbegrenzerventil vorzuschlagen, welches einen optischen Drucksensor vor Beschädigungen oder Zerstörung aufgrund eines Überdrucks schützt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Druckbegrenzerventil gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzerventil, welches einen Sitz, einen Stößel und eine Vorspannfeder umfasst. Das erfindungsgemäße Druckbegrenzerventil zeichnet sich dadurch aus, dass das Druckbegrenzerventil weiterhin eine druckverwölbbare Membran umfasst, wobei die Membran und der Sitz eine Kammer einschließen, wobei die Vorspannfeder einen Kopf des Stößels durch eine Öffnung des Sitzes an die Membran anlegt, wobei die Membran den Stößel über den Kopf des Stößels verwölbungsabhängig führt und wobei das Druckbegrenzerventil derart ausgebildet ist, dass der Stößel einen von einer Außenseite des Druckbegrenzerventils in die Kammer laufenden Gang bei Erreichen eines Grenzdrucks in der Kammer abdichtet.
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Die Erfindung beschreibt somit ein Druckbegrenzerventil, das unterhalb eines Grenzdrucks in einem geöffneten Zustand ist und bei Erreichen des Grenzdrucks schließt, also in einen geschlossenen Zustand übergeht. Dies wird erreicht, indem die Kammer über den Gang mit einem Umgebungsdruck kommuniziert und die Membran, welche eine Wand der Kammer darstellt, sich druckabhängig verwölbt. Da der Druck im Inneren der Kammer anliegt, verwölbt sich die Membran nach außen. Weil außerdem der Kopf des Stößels durch die Vorspannfeder an die Innenseite der Membran angelegt wird, folgt der Stößel der Verwölbung der Membran, d.h. die Membran führt den Kopf des Stößels weiter durch die Öffnung des Sitzes in die Kammer. Dadurch bewegt sich der Stößel auch zusehends tiefer in den Sitz. Bei Erreichen des Grenzdrucks ist die Verwölbung der Membran derart stark ausgeprägt und der Stößel somit derart weit aus seiner Ruheposition ausgelenkt, dass der Stößel den Gang abdichtet.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein vergleichsweise robust aufgebautes Druckbegrenzerventil vorgeschlagen wird, welches unter Zurückgreifen auf ausschließlich einfache mechanische Bauteile eine zuverlässige Begrenzung eines wirkenden Drucks erlaubt. Der Druck wird zunächst nur in der Kammer begrenzt, da die Bewegung des Stößels den in die Kammer laufenden Gang abdichtet. Der Stößel kann über eine geeignete mechanische oder auch elektrische Anbindung jedoch auch einen weiteren Druckkanal unterbrechen und somit auch einen nicht in der Kammer befindlichen Druck begrenzen.
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Das erfindungsgemäße Druckbegrenzerventil eignet sich dabei sowohl zur Begrenzung von hydraulischen als auch pneumatischen Drücken.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Druckbegrenzerventil derart ausgebildet ist, dass die Membran zumindest bei Drücken, die geringer als der Grenzdruck sind, reversibel verwölbbar ist. Daraus ergibt sich zunächst der Vorteil, dass die Membran bei der Verwölbung nur elastisch verformt wird, also nicht beschädigt oder gar zerstört wird. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass das Druckbegrenzerventil den Gang selbsttätig wieder frei gibt, wenn der Grenzdruck nicht länger überschritten bzw. erreicht ist. Sobald der außerhalb der Kammer befindliche Druck den Grenzdruck also wieder unterschreitet, führt die Membran den Stößel aufgrund des in der Kammer anliegenden Grenzdrucks, welcher nun größer als der Umgebungsdruck ist, wieder aus der Kammer heraus, so dass der Stößel den Gang wieder freigibt.
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Der jeweils für ein spezielles Druckbegrenzerventil vorgesehene Grenzdruck kann dabei z.B. durch geeignete Auslegung der Membran, des Sitzes bzw. des Stößels auf einfache Weise eingestellt werden.
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Außerdem ist es vorgesehen, dass der von der Außenseite in die Kammer laufende Gang zwischen dem Sitz und dem Stößel hindurchführt. Da der Stößel mit zunehmendem Druck bzw. mit zunehmender Membranverwölbung zunehmend tief in den Sitz eingreift, kann der Gang in diesem Fall auf einfache Weise und ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen zwischen Sitz und Stößel abgedichtet werden.
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Außerdem ist es insbesondere vorgesehen, dass das Druckbegrenzerventil derart ausgebildet ist, dass die Vorspannfeder einen Körper des Stößels bei Erreichen des Grenzdrucks an eine Dichtkante des Sitzes anlegt. Wie bereits ausgeführt wurde, führt die Membran den Stößel über den Kopf des Stößels druckabhängig in die Kammer hinein und wieder aus dieser heraus, da die Vorspannfeder den Kopf des Stößels an die Membran anlegt. Dabei greift der Stößel druckabhängig unterschiedlich tief in den Sitz ein. Indem der Sitz nun eine Dichtkante aufweist und die Vorspannfeder den Stößel bei Erreichen des Grenzdrucks an die Dichtkante anlegt, bzw. der Stößel bei Erreichen des Grenzdrucks von der Membran an die Dichtkante herangeführt wird, ist eine besondere Druckdichtigkeit gewährleistet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Membranmodul für einen optischen Drucksensor, welches ein Gehäuse umfasst. Das erfindungsgemäße Membranmodul zeichnet sich dadurch aus, dass das Membranmodul weiterhin ein erfindungsgemäßes Druckbegrenzerventil umfasst, wobei das Gehäuse einen Kanal aufweist, welcher in einem ersten Eingang das Druckbegrenzerventil aufnimmt, wobei eine Membran des Druckbegrenzerventils den ersten Eingang verschließt und wobei der Membran über einen zweiten Eingang des Kanals ein Druck zuführbar ist.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Membranmodul – und somit der optische Drucksensor – nicht bei Auftreten von Überdrücken zerstört werden. Stattdessen dichtet das Druckbegrenzerventil bei Erreichen des Grenzdrucks auf die bereits beschriebene Art und Weise den Gang ab und verhindert somit einer weitergehende Druckbelastung des Membranmoduls.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Membran des Druckbegrenzerventils ohne zusätzlichen Aufwand oder notwendige Veränderungen als Membran für den optischen Drucksensor verwendet werden kann. Die einzige Voraussetzung hierfür ist es, dass die Membran die vom optischen Drucksensor zur Drucksensierung genutzte Wellenlänge reflektieren kann. Dies wird bei einer metallischen Membran der Regalfall sein. Eine metallische Membran eignet sich außerdem vergleichsweise gut, um auch hohen Drücken standzuhalten und ist aufgrund der Materialeigenschaften von Metall über einen vergleichsweise weiten Verformungsbereich elastisch.
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Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse derart ausgebildet ist, dass es in einen hydraulischen Port einer hydraulischen Steuereinheit einer Kraftfahrzeugbremsanlage druckfest einfügbar ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Gehäuse – und mit dem Gehäuse das Druckbegrenzerventil – in einem Kraftfahrzeugbremssystem verwendbar ist. In Kraftfahrzeugbremssystemen entstehen oftmals vergleichsweise hohe Druckspitzen, welche ggf. zur Zerstörung eines an sich bekannten optischen Drucksensors führen würden. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Membranmoduls kann dies jedoch zuverlässig vermieden werden.
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Es ist vorteilhaft, dass der erste Eingang gegenüber dem zweiten Eingang verbreitert ist. Da der erste Eingang das Druckbegrenzerventil aufnimmt und der zweite Eingang lediglich zum Zuführen des Drucks dient, kann der zweite Eingang vergleichsweise schmal sein, solange die Druckzuführbarkeit gewährleistet bleibt. Durch die Verbreiterung eignet sich der erste Eingang zur sicheren Aufnahme des Druckbegrenzerventils, da dieses aufgrund seiner räumlichen Maße den Bereich des ersten Eingangs nicht in Richtung zum zweiten, vergleichsweise schmaleren Eingang, verlassen kann.
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Es ist zweckmäßig, dass das Druckbegrenzerventil, insbesondere der Sitz des Druckbegrenzerventils, derart in das Gehäuse eingefügt ist, dass sich ein Grenzdruck ergibt, welcher eine irreversible Verwölbung der Membran ausschließt. Da die Membran den ersten Eingang verschließt, insbesondere üblicherweise an der Oberfläche des Gehäuses verschließt, ist ihre Anordnung am Gehäuse fest vorgegeben. Über die Einfügung des Sitzes in das Gehäuse und die Länge des Stößels bzw. des Kopfes des Stößels wird somit eine maximale Membranverwölbung vorgegeben, d.h. ein Grenzdruck vorgegeben. Dies stellt eine einfache Möglichkeit zur Einstellung des Grenzdrucks dar.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kalibrierverfahren für einen ein erfindungsgemäßes Membranmodul umfassenden optischen Drucksensor vor dessen Inbetriebnahme. Das Kalibrierverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt eine Membranverwölbung des Membranmoduls ohne Druckbeaufschlagung erfasst wird, wobei in einem zweiten Schritt die Membranverwölbung bei einer ansteigenden Druckbeaufschlagungsrampe solange erfasst wird, bis die Membranverwölbung nicht weiter zunimmt, wobei die Druckbeaufschlagung zumindest während des zweiten Schritts mittels einer Druckmessvorrichtung erfasst wird und wobei in einem dritten Schritt jeder Membranverwölbung eine Druckbeaufschlagung zugeordnet wird.
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Der Grund für die nicht weiter zunehmende Membranverwölbung trotz weiter ansteigender Druckbeaufschlagungsrampe im zweiten Schritt ist das Abdichten der Kammer durch das Druckbegrenzerventil bei Erreichen des Grenzdrucks.
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Die Zuordnung der jeweiligen Druckbeaufschlagung zu einer Membranverwölbung kann dabei in Form einer Kennlinie, einer Tabelle oder eines Kennfelds erfolgen, welche in einem elektronischen Speicher abrufbar abgelegt werden.
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Somit kann ein optischer Drucksensor, der das erfindungsgemäße Membranmodul umfasst, auf einfache Weise vor seiner ersten Inbetriebnahme, z.B. in einem geeigneten Prüfstand, kalibriert werden.
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Zu berücksichtigen ist dabei insbesondere derjenige Druckbereich, der oberhalb des Grenzdrucks liegt. Da oberhalb des Grenzdrucks die Verformung der Membran nicht weiter zunimmt, ist mit dem optischen Drucksensor oberhalb des Grenzdrucks auch keine Aussage über den Druck mehr möglich.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Kalibrierverfahren für einen ein erfindungsgemäßes Membranmodul umfassenden optischen Drucksensor während eines Betriebs in einer Kraftfahrzeugbremsanlage. Das Kalibrierverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt der optische Drucksensor mit einer einen bekannten Grenzdruck überschreitenden Druckbeaufschlagung beaufschlagt wird, wobei ein Druckbegrenzerventil des optischen Drucksensors bei Erreichen des Grenzdrucks abdichtend wird, wobei in einem zweiten Schritt eine maximale Membranverwölbung bei Erreichen des bekannten Grenzdrucks erfasst wird und wobei in einem dritten Schritt der maximalen Membranverwölbung der bekannte Grenzdruck zugeordnet wird.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch während des Betriebs des optischen Drucksensors in der Kraftfahrzeugbremsanlage jederzeit eine Neukalibrierung des Drucksensors möglich ist, um z.B. Alterungseffekte auszugleichen.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Membranmoduls in einem optischen Drucksensor einer Kraftfahrzeugbremsanlage. Aufgrund der in einer Kraftfahrzeugbremsanlage üblicherweise vorherrschenden korrosiven Umgebungsbedingungen ist das Membranmodul in diesem Fall bevorzugt aus Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Metall hergestellt. Ebenso besteht die Membran in diesem Fall bevorzugt aus Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Metall.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigt
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1 eine Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Membranmoduls und
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2 schematisch einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens vor Inbetriebnahme eines optischen Drucksensors in Form eines Flussdiagramms.
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1a zeigt beispielhaft erfindungsgemäßes Membranmodul 101 ohne Druckbeaufschlagung. Membranmodul 101 umfasst Gehäuse 102, Gang 103 mit einem zweiten, vergleichsweise schmalen Eingang und einem ersten, gegenüber dem zweiten Eingang verbreiterten Eingang. Gehäuse 102 ist dabei derart ausgebildet, dass es in einen hydraulischen Port einer hydraulischen Steuereinheit einer Kraftfahrzeugbremsanlage druckfest einfügbar ist. In der Darstellung der 1a weist der zweite Eingang nach unten während der erste Eingang nach oben weist. Der erste Eingang nimmt außerdem Druckbegrenzerventil 104 auf, welches seinerseits druckverwölbbare Membran 105, Sitz 106, Vorspannfeder 107 und Stößel 108 umfasst. Stößel 108 besteht dabei aus Kopf 109, welcher von Vorspannfeder 107 durch eine Öffnung von Sitz 106 an Membran 105 angelegt wird, und Körper 110. Membran 105 und Sitz 106 schließen Kammer 111 ein, welche über Gang 112 mit einem Umgebungsdruck kommuniziert. Sitz 106 weist außerdem umlaufende Dichtkante 113 auf. Membranmodul 101 nimmt über den ersten Eingang Gang 103 einen Umgebungsdruck auf und führt diesen in den verbreiterten zweiten Eingang, wo sich Druckbegrenzerventil 104 befindet. Druckbegrenzerventil 104 wiederum führt den Druck über Gang 103 in Kammer 111, wo Membran 105 von ihrer Innenseite mit dem Druck beaufschlagt wird.
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In 1b ist Membranmodul 101 mit beispielsgemäß mit Druck p1 beaufschlagt, wobei Druck p1 geringer ist als der Grenzdruck. Wie zu sehen ist, verwölbt sich Membran 105 und führt Kopf 109 von Stößel 108 weiter in Kammer 111, da Kopf 109 von Stößel 108 durch Vorspannfeder 107 an Membran 105 angelegt wird. Somit greift Stößel 108 tiefer in Sitz 106 ein und Körper 110 von Stößel 108 nähert sich Dichtkante 113. Damit wird Gang 112 an der Stelle zwischen Dichtkante 113 und Stößel 108 eingeengt.
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1c zeigt Membranmodul 101 bei Beaufschlagung mit Grenzdruck p2. Membran 105 verwölbt sich hier soweit, dass Körper 110 von Stößel 108 an Dichtkante 113 angelegt wird und Gang 113 verschliesst. Damit ist Kammer 111 abgedichtet gegen den Umgebungsdruck, was wiederum ein weiteres Ansteigen des Drucks in Kammer 111 verhindert und somit eine weitere Verwölbung und Beschädigung von Membran 105 vermeidet.
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In 1c steigt der Umgebungsdruck beispielsgemäß noch weiter bis auf Druck p3 an, welcher größer als der Grenzdruck ist. Würde Druck p3 auf Membran 105 einwirken, so würde er diese irreversibel verwölben und somit beschädigen. Wie zu sehen ist, ist Kammer 111 immer noch gegen den Umgebungsdruck abgedichtet, da Körper 110 von Stößel 108 an Dichtkante 113 angelegt ist und Gang 112 somit verschlossen ist. Daher ist Membran 105 nach wie vor nur mit Druck p2, welcher dem Grenzdruck entspricht, beaufschlagt. Somit wird eine Beschädigung von Membran 105 vermieden.
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Wenn der Umgebungsdruck wieder abnimmt und dabei unter den Grenzdruck fällt, wird Stößel 108 zurück in Richtung seiner Ruheposition geführt und Gang 112 wird wieder freigegeben. Dies ermöglicht es dem in Kammer 111 gehaltenen Druck, über Gang 112 zu entweichen, so dass sich wieder ein Druckgleichgewicht zwischen Kammer 111 und der Umgebung einstellt. Die Verwölbung von Membran 105 entspricht dann wieder dem Umgebungsdruck.
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2 zeigt beispielhaft einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens vor Inbetriebnahme eines optischen Drucksensors in Form eines Flussdiagramms. Das Verfahren wird beispielsgemäß in einem Prüfstand ausgeführt. In Schritt 21 wird dabei zunächst mittels eines optischen Drucksensors eine Membranverwölbung des Membranmoduls bzw. des Druckbegrenzerventils ohne Druckbeaufschlagung erfasst. Im folgenden Schritt 22 wird das Membranmodul bzw. das Druckbegrenzerventil nun einer ansteigenden Druckbeaufschlagung ausgesetzt, welche eine ansteigende Membranverwölbung verursacht. Die Membranverwölbung wird dabei kontinuierlich mittels des optischen Drucksensors erfasst, während die Druckbeaufschlagung kontinuierlich mit einer geeigneten Druckmessvorrichtung erfasst wird. In Schritt 23 nimmt die Membranverwölbung nicht weiter zu, obwohl die Druckbeaufschlagung weiter ansteigt, da das Druckbegrenzerventil in einen geschlossenen Zustand übergegangen ist. In Schritt 24 schließlich wird jeder erfassten Membranverwölbung eine erfasste Druckbeaufschlagung zugeordnet, so dass eine Kennlinie entsteht. Diese Kennlinie wird in Schritt 25 abrufbar in einem elektronischen Bremsensteuergerät gespeichert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085329 A1 [0003, 0004]
- DE 102013210349 [0004]
