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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckspeicher für eine Fahrzeugbremsanlage
mit einem Gehäuse,
einem in dem Gehäuse
geführten Druckkolben
und einer Gegendruckquelle, wobei der Druckkolben mit dem Gehäuse einen
mit Hydraulikfluid befüllbaren
Fluidraum einschließt
und wobei der Druckkolben unter Wechselwirkung mit der Gegendruckquelle
zwischen einer Kolbenstellung maximaler Fluidraumbefüllung und
einer Kolbenstellung minimaler Fluidraumbefüllung verlagerbar ist. Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine mit einem derartigen
Druckspeicher ausgerüstete
Fahrzeugbremsanlage.
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Derartige
Druckspeicher sind bereits bekannt und werden in Fahrzeugbremsanlagen
in Form von Gasdruckspeichern eingesetzt. Beispielsweise zeigt die
gattungsbildende
DE
199 54 326 A1 in
2 einen
als Gasdruckspeicher ausgeführten Druckspeicher
der eingangs bezeichneten Art. Bei diesem Gasdruckspeicher ist ein
Fluidraum vorgesehen, der über
einen Metallbalg und einen Druckkolben von einem mit Gas gefüllten geschlossenen
Gasraum abgetrennt ist. Beim Einfüllen von Hydraulikfluid in
den Fluidraum bewegt sich der Druckkolben derart, dass das in dem
Gasraum vorhandene Gas komprimiert wird, wobei der Metallbalg deformiert
wird. Das komprimierte Gas des Gasraums entspannt sich bei späterem Entleeren
des Fluidraums, so dass der Kolben in seine Kolbenstellung minimaler
Fluidraumbefüllung
zurückgedrängt wird.
Der in der
DE 199
54 326 A1 gezeigte Gasdruckspeicher hat jedoch den Nachteil,
dass er verhältnismäßig groß baut und
aufgrund der Unterteilung des Gehäuses in Fluidraum und Gasraum
mittels Druckkolben und Faltenbalg konstruktiv verhältnismäßig aufwendig
gestaltet ist.
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Aufgabe der
Erfindung und erfindungsgemäße Lösung
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Es
demgegenüber
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckspeicher der
eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, welcher bei einfachem,
kostengünstigem
und kleinvolumigem Aufbau keine zusätzliche Bereitstellung eines
Luftraums erfordert.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Druckspeicher der eingangs bezeichneten
Art gelöst,
bei welchem die Gegendruckquelle ein deformierbares Federelement
umfasst, welches sich unter Verlagerung des Druckkolbens in Richtung
seiner Kolbenstellung maximaler Fluidraumbefüllung deformiert und welches
sich bei Entleeren des Fluidraums entspannt und den Druckkolben
in Richtung seiner Kolbenstellung minimaler Fluidraumbefüllung drängt.
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Mit
anderen Worten wird der Luftraum gemäß dem Stand der Technik durch
ein deformierbares Federelement ersetzt, das nach Maßgabe seines Deformationszustands,
das heißt
nach Maßgabe
des Grads seiner augenblicklichen Komprimierung, einen Gegendruck
bereitstellt, welcher bei Bedarf durch Abführen von Hydraulikfluid aus
dem mit diesem Gegendruck beaufschlagten Fluidraum in der Fahrzeugbremsanlage
genutzt werden kann. Erfindungsgemäß kann demzufolge der Druckspeicher
erheblich vereinfacht ausgebildet werden, indem der Luftraum durch
das deformierbare Federelement ersetzt wird, was aufwendige konstruktive
Lösungen,
wie beispielsweise die Kopplung von Gehäuse und Druckkolben über einen
empfindlichen Faltenbalg überflüssig macht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung
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Um
die an dem Federelement bei dessen Deformation aufgebrachten Gegendruckkräfte definiert
in den Druckkolben einleiten zu können, sieht ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung vor, dass das Federelement zwischen einer mit dem
Druckkolben zusammenwirkenden Druckplatte und einer in dem Gehäuse gehaltenen
Gegendruckplatte angeordnet ist. Dabei stützt sich das Federelement über die
Gegendruckplatte an dem Gehäuse
ab und drückt
entsprechend seines aktuellen Deformationsgrades auf die mit dem
Druckkolben zusammenwirkende Druckplatte.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass das Federelement in dem Gehäuse aufgenommen ist, wobei
die Druckplatte in einer Federkammer verlagerbar ist und die Gegendruckplatte
in der Federkammer angebracht ist. Dadurch kann erreicht werden,
dass das Federelement gegenüber äußeren Einflüssen abgeschirmt ist,
so dass beispielsweise die Funktion des Federelements beeinträchtigende äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit
oder Schmutz, sowie Motorflüssigkeiten,
welche möglicherweise
die Materialeigenschaften des Federelements verändern, von diesem ferngehalten
werden können.
Obgleich ähnlich
wie bei herkömmlichen
Gasdruckspeichern bei dieser Ausführungsform ein Gehäuse vorgesehen
wer den muss, kann dieses mit einer deutlich reduzierten Wandstärke ausgeführt werden,
da es keine hohen Drücke
aufnehmen muss, die andernfalls bei herkömmlichen Gasdruckspeichern
im Bereich von bis zu 200 bar liegen können. Dadurch ist eine erhebliche
Gewichts- und Bauraumeinsparung gegenüber aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen möglich.
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Aufgrund
der Deformation des Federelements ist es vorteilhaft, wenn dieses
kreiszylindrisch ausgebildet ist und mit einem Mindestabstand zu
der Gehäuseinnenwand
der Federkammer angeordnet ist. Durch die kreiszylindrische Ausbildung
lässt sich eine
symmetrische Druckkraftverteilung bei einer Deformation des Federelements
erreichen. Während der
Deformation kann sich das Federelement bauchig verformen, so dass
durch den Mindestabstand zu der Gehäuseinnenwand ein undefiniertes
Fehlverhalten des Federelements, insbesondere ein mechanisches Versagen,
verhindert werden kann.
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Bei
einer konstruktiven stark vereinfachten und daher noch kostengünstiger
herstellbaren Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die Gegendruckplatte über wenigstens einen Anker
an dem Gehäuse
angebracht ist, wobei der wenigstens eine Anker die Druckplatte
bei einer Verlagerung des Druckkolbens führt. Der Anker kann dabei lediglich als
Zylinderkopfschraube ausgebildet sein, an deren Zylinderkopf sich
die Gegendruckplatte abstützt.
In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung in einer vorteilhaften
Weiterbildung ferner vor, dass das Federelement mit einer vorzugsweise
zentralen Durchgangsöffnung
ausgebildet ist, durch welche sich der Anker erstreckt. Durch diese
Maßnahme
lässt sich wiederum
eine symmetrische Druckkraftverteilung in dem Federelement sicherstellen,
die dann für
eine zuverlässige
Kraftübertragung
auf den Druckkolben sorgt.
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Eine
Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sieht ferner vor, dass
der Druckkolben ein kreisringförmiges
Querschnittsprofil aufweist und dass der Fluidraum in dem Gehäuse korrespondierend
mit kreisringförmigem
Querschnittsprofil ausgebildet ist, wobei der Anker in einem Gehäusebereich
festlegbar ist, der von dem Fluidraum umgeben ist. Dadurch lässt sich
weiter Bauraum sparen, da der Anker, beispielsweise die Zylinderkopfschraube
in das Gehäuse
in einen Bereich eingeschraubt wird, der nicht von dem Fluidraum
benötigt
wird. Mit anderen Worten lassen sich die Befestigung des Ankers
und der Fluidraum in dem Gehäuse
in Richtung der Längsachse des
Ankers überlagern,
wodurch der erfindungsgemäße Druckspeicher
klein dimensioniert werden kann.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
dass Federelement als Schraubendruckfeder auszubilden. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sehen jedoch vor, dass das Federelement
aus einem räumlichen Körper aus
Elastomermaterial hergestellt ist. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist dabei vorgesehen, dass der Druckspeicher aus einem Kautschukmaterial
hergestellt ist. Alternativ hierzu kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung vorgesehen sein, dass das Federelement aus einem elastomeren
Polyurethan-Material, vorzugsweise einem Zell-Polyurethan-Material, am meisten
bevorzugt aus Naphthalin-Diisocyanat (NDI-HT), hergestellt ist.
Derartige Materialien zeichnen sich durch die Kombination von hoher
Elastizität, guter
Verschleißfestigkeit,
sowie hoher thermischer Stabilität
aus. Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass das Federelement aus
einem geschlossenporigen Material mit einer Wasseraufnahme von maximal 5%,
vorzugsweise von maximal 3%, am meisten bevorzugt von maximal 2%
hergestellt ist. Durch eine derartig geringe Wasseraufnahme lässt sich
ein konstantes mechanisches Verhalten des Federelements über dessen
Lebensdauer gewährleisten.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Federelement aus einem Material
mit einer Dichte im Bereich von 0,3 bis 1,2 g/cm3 hergestellt ist.
Dadurch lässt
sich neben der vorstehend mehrfach angesprochenen erfindungsgemäßen Bauraumreduzierung
gegenüber dem
Stand der Technik auch eine deutliche Gewichtsreduzierung erreichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement
von einer Außenhaut
zumindest teilweise umgeben ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Fahrzeugbremsanlage mit einem Druckspeicher
gemäß der vorstehend
beschriebenen Art.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren beispielhaft
erläutert.
Es stellen dar:
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1 einen Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Druckspeichers,
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2 eine Schnittansicht der
Ausführungsform
gemäß 1 in einer Betriebsstellung
und
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3 eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckspeichers
im Längsschnitt.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Druckspeicher
allgemein mit 10 bezeichnet. Dieser umfasst ein Gehäuse 12 mit
einer Längsachse
A. In dem Gehäuse 12 ist
ein Druckkolben 14 in einem abgestuften Hohlraum 16 geführt. Der
Hohlraum 16 setzt sich zusammen aus einer hohlzylindrischen
Federkammer 18 und einer sich unmittelbar an diese anschließende Kolbenkammer 20.
Die Kolbenkammer 20 ist ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet
und führt den
Druckkolben 14 in axialer Richtung. In die Kolbenkammer 20 mündet ein
Fluidkanal 22, der sich durch den in 1 unteren Teil des Gehäuses 12 erstreckt.
Der untere Teil des Gehäuses 12 ist
mit einem Anschlusszapfen 24 versehen, der ein Außengewinde 26 aufweist.
Mit dem Außengewinde 26 kann
das Gehäuse 12 in
einem Motorraum oder dergleichen des Kraftfahrzeugs angebracht werden.
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Der
Druckkolben 14 umfasst an seiner Außenfläche eine Ringnut 28 in
die ein Dichtelement 30 eingelegt ist. Das Dichtelement 30 gleitet
dichtend an der Innenwand 32 der Kolbenkammer 20 ab.
Dadurch schließt
der Druckkolben 14 mit dem Gehäuse 12, insbesondere
mit dem die Kolbenkammer 20 definierenden Teil des Gehäuses 12,
einen Fluidraum 34 ein, wie dies auch in 2 gezeigt ist, in welcher der Fluidraum 34 teilweise
mit Hydraulikfluid gefüllt ist.
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Der
Druckkolben 14 weist an seinem in 1 oberen Ende eine Druckplatte 36 auf.
An der Druckplatte 36 ist in nicht gezeichneter Weise ein
Federelement 38 aus Polyurethanmaterial hergestellt. Das
Federelement 38 ist vorzugsweise aus NDI-HT, einem temperaturbeständigen Naphthalin-Diisocyanat.
Dieser Werkstoff zeichnet sich durch die Kombination hoher Elastizität, sehr
guter Verschleißfestigkeit
und hoher thermischer Stabilität
aus.
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An
der in 1 oberen Seite
des kreiszylindrischen Federelements 38 ist eine Gegendruckplatte 40 vorgesehen.
Die Gegendruckplatte 40 ist verschiebbar in der Federkammer
angeordnet, wird jedoch in dem in 1 gezeigten
Ruhezustand, in dem das Federelement 38 leicht komprimiert
ist, gegen einen Sicherungsringring 42 gedrückt, der
in einer Ringnut 44 in der Innenwand 46 des Gehäuses 12 angebracht
ist.
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Während 1 den Druckspeicher 10 in
einem Betriebszustand zeigt, in welcher sich der Druckkolben 14 in
seiner untersten Position befindet, das heißt in der Position, in welcher
der Fluidraum 34 nicht mit Hydraulikfluid befüllt ist
und der Druckkolben 14 aufgrund der Federwirkung des Federelements 38 soweit
wie möglich
nach unten gedrückt
ist, zeigt 2 einen Betriebszustand
des Druckspeichers 10, bei welchem in den Fluidraum 34 Hydraulikfluid über den
Fluidkanal 22 eingeführt
ist, so dass der Druckkolben 14 entlang der Längsachse
A in 2 nach oben verschoben
ist. Dabei ist das Federelement 38 teilweise komprimiert,
weshalb es einen ausgebauchten, jedoch in axialer Richtung A verkürzten Zustand
einnimmt. In diesem Zustand steht das in dem Fluidraum 34 gespeicherte
Hydraulikfluid unter einem Druck, der durch den Grad der Komprimierung des
Federelements 38 bestimmt wird. Mit anderen Worten kann
in dem Fluidraum 34 Hydraulikfluid unter Druck gespeichert
werden und bei Bedarf, beispielsweise dann, wenn Druckschwankungen
in einer Bremsanlage eines Fahrzeugs ausgeglichen werden sollen,
dem Fluidraum 34 wieder entnommen werden. Dies geschieht
dadurch, dass beispielsweise ein mit dem Fluidkanal 22 gekoppeltes
Ventil geöffnet
wird, woraufhin unter Relaxation des Federelements 38 Hydraulikfluid
aus dem Fluidraum 34 über den
Fluidkanal 22 ausgepresst wird.
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Im
Zusammenhang mit der in 2 gezeigten
Deformation des Federelements 38 ist darauf hinzuweisen,
dass das Federelement 38 in seinem im Wesentlichen relaxierten
Zustand gemäß 1 derart dimensioniert ist,
dass es in einem Abstand d über seinen
Umfang von der Innenwand 46 des Gehäuses 12 beabstandet
ist. Dies ist deshalb erforderlich, weil sich das Federelement 38 bei
Befüllung
des Fluidraums 34 mit Hydraulikfluid unter Deformierung
ausbaucht, wie in 2 gezeigt.
Der Abstand d ist so zu wählen,
dass selbst bei maximaler Befüllung
des Fluidraums 34 mit Hydraulikfluid, das heißt bei einem Betriebszustand,
in welchem der Druckkolben 14 noch weiter in Richtung nach
oben ausgelenkt ist, als dies in 2 gezeigt
ist, das sich ausbauchende Mantelflächenprofil des Federelements 38 nicht
in Anlage mit der Innenwand 46 des Gehäuses 12 gelangt. Dadurch
kann verhindert werden, dass unerwünschte Deformationseffekte
an dem Federelement 38 auftreten, die zusammen mit auftretenden
Reibungseffekten oder dergleichen zu einer Beeinträchtigung
der Funktion des Federelements 38 führen können.
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Es
sei jedoch darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich auch im Rahmen der Erfindung
liegt, den Abstand d derart klein zu wählen, dass eine definierte
Anlage der sich ausbauchenden Seitenwände des Federelements 38 an
der Innenwand 46 auftritt. Hierfür kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass die Innenwand 46 mit einer reibungsvermindernden
Beschichtung versehen ist, die ein Abgleiten des sich ausbauchenden
Mantelflächenprofils
des Federelements 38 begünstigt.
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3 zeigt nun eine zweite
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckspeichers.
Zur Vermeidung von Wiederholungen und zur Vereinfachung der Beschreibung
werden dieselben Bezugszeichen verwendet, wie bei der Beschreibung
des ersten Ausführungsbeispiels
gemäß 1 und 2, jedoch mit der Ziffer "1" vorangestellt.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckspeicher 110 in
seiner Ausgangsstellung. Dabei ist das Federelement 138 kreisringförmig ausgebildet
und umfasst eine zentrale Durchgangsöffnung 150. Durch
die zentrale Durchgangsöffnung 150 erstreckt
sich eine als Anker wirkende Zylinderkopfschraube 152,
die mit einem endseitigen Gewindeabschnitt 154 in eine
korrespondierende zentrale Gewindebohrung 156 in dem Gehäuse 112 eingeschraubt
und in dieser dadurch festgelegt ist. Die Längsachse A des Gehäuses 112 und
der Zylinderkopfschraube 152 fallen somit zusammen.
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Auf
dem gewindelosen Schaft 158 der Zylinderkopfschraube 152 ist
die Druckplatte 136 geführt, die
getrennt von dem Druckkolben 114 ausgebildet ist. Die Druckplatte 136 ist
an ihren radial äußeren Enden
mit einer Krümmung 160 versehen,
so dass das Federelement 138 leicht umgriffen wird. An
dem von der Druckplatte 136 entgegengesetzten Ende des
Federelements 138 ist die Gegendruckplatte 140 vorgesehen,
die ebenfalls mit einer zentralen Öffnung 162 ausgebildet
ist. Diese zentrale Öffnung
wird von einem Kragen 164 gebildet. Die Gegendruckplatte 140 besitzt
napfförmige
Gestalt und ist an ihren radial äußeren Bereichen
bei 166 wiederum gekrümmt ausgebildet,
um das Federelement 138 zu umgreifen. Der Kragen 164 stützt sich
an dem Kopf 168 der Zylinderkopfschraube ab.
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Der
Druckkolben 114 ist kreisringförmig ausgebildet und in einem
korrespondierenden kreisringförmigen
Fluidraum 134 geführt.
Zur Abdichtung sind ein innerer Dichtring 170 sowie ein äußerer Dichtring 172 vorgesehen.
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Im
Betrieb wird der Fluidraum 134 über den Fluidkanal 122 mit
Hydraulikfluid befüllt.
Dadurch wird der Druckkolben 114 mit kreisringförmigem Querschnitt
in dem Fluidraum 134 entlang der Achse A in 3 nach oben verlagert. Er
drückt
dabei über die
Druckplatte 136, die auf dem gewindelosen Schaft 158 der
Zylinderkopfschraube 152 axial geführt wird, das Federelement 138 zusammen,
welches sich sodann deformiert. Entsprechend dem Deformationsgrad
des Federelements 138 baut sich in dem Fluidraum ein Hydraulikdruck
auf. Mit anderen Worten wird das in dem Fluidraum 134 befindliche Hydraulikfluid
unter Druck gespeichert. Bei einem Entleeren des Fluidraums 134 wird
das Hydraulikfluid unter einem dem Deformierungsgrad des Federelements 138 entsprechenden
Druck freigegeben.
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Die
in 3 gezeigte Ausführungsform
ist gegenüber
der in 2 gezeigten Ausführungsform erheblich
vereinfacht, da das Gehäuse 112 keine
zusätzliche
Federkammer bereitstellt, in welcher das Federelement 138 gekapselt
gehalten wird. Das Federelement 138 hingegen ist entsprechend
geschlossenporig ausgebildet und weist eine Außenhaut auf, um eine möglichst
geringe Wasseraufnahme, beispielsweise bis maximal 2% zu gewährleisten.
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Es
ist ferner darauf hinzuweisen, dass wie bereits mit Bezug auf 1 angesprochen, das Federelement
auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 in dem in 3 gezeigten Ausgangszustand, in welchem
der Fluidraum 134 minimal mit Hydraulikfluid befüllt ist,
bereits vorgespannt ist und die Druckplatte 136 und die
Gegendruckplatte 140 auseinander drückt. Dadurch kann ein schnelles
Ansprechen des Druckspeichers 110 und ein vollständiges Entleeren
des Fluidraums 134 gewährleistet
werden.
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Der
im vorstehend beschriebene Druckspeicher bietet den Vorteil, bei
kleiner Baugröße und einfachem
konstruktivem Aufbau zuverlässig über eine lange
Lebensdauer Hydraulikfluid speichern zu können und bei Bedarf dieses
unter Druck abgeben zu können.
Er hat insbesondere den Vorteil einer hohen Verschleißfestigkeit.
Darüber
hinaus treten bei dem erfindungsgemäßen Druckspeicher Probleme
herkömmlicher
Gasdruckspeicher, insbesondere hervorgerufen durch Leckagen und
einer Zerstörung
des den Druckkolben mit dem Gehäuse
verbindenden metallischen Faltenbalgs nicht mehr auf, da keine Luftkammer
mehr erforderlich ist. Schließlich
bietet der erfindungsgemäße Druckspeicher
den Vorteil einer erheblichen Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlichen
(Gas-)Druckspeichern aus dem Stand der Technik.