Titel

Mehrkolbenpumpe Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Mehrkolbenpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Sie ist als sog. Rückförderpumpe in blockierschutz-, antriebschlupf- und/oder fahrdynamikgeregelten, hydraulischen Fahrzeugbrems- anlagen oder zum (Betriebs-) Bremsdruckaufbau in elektrohydraulischen Fahrzeugbremsanlagen vorgesehen.

Kolbenpumpen für hydraulische Fahrzeugbremsanlagen sind bekannt. Sie weisen konstruktiv bedingt einen pulsierenden Förderstrom auf, der aufgrund seiner Rückwirkung auf ein Fußbremspedal (oder einen Handbremshebel einer Betriebshandbremse beispielsweise eines Motorrads) unerwünscht ist.

Zur Verringerung der Pulsation des Förderstroms auf einer Saugseite sind Stufenkolbenpumpen bekannt. Eine Durchmesserstufung eines Stufenkolbens einer Stufenkolbenpumpe verringert eine angesaugte Fluidmenge während eines

Rückhubs im Vergleich mit einem stufenlosen Pumpenkolben und bewirkt ein Ansaugen von Fluid während eines Arbeitshubs. Beim Arbeitshub verdrängt der Pumpenkolben Fluid aus einem Pumpenzylinder oder einer Pumpenbohrung. Im Vergleich mit einem ungestuften Pumpenkolben, der nur während des Rückhubs Fluid ansaugt, verteilt ein Stufenkolben den angesaugten Förderstrom auf den

Arbeits- und den Rückhub, so dass der angesaugte Förderstrom weniger stark pulsiert.

Eine andere Möglichkeit zur Verringerung von Pulsationen sind Mehrkolben- pumpen, deren Pumpenkolben phasenverschoben angetrieben werden. Solche

Mehrkolbenpumpen für hydraulische, schlupfgeregelte Fahrzeugbremsanlagen offenbart die Offenlegungsschrift DE 198 25 1 14 A1 . Dort sind beispielsweise zwei Pumpenkolben in einer V-Anordnung um 90 Grad oder drei Pumpenkolben in einer Sternanordnung um jeweils 120 Grad versetzt zueinander um einen gemeinsamen Exzenter angeordnet, der die Pumpenkolben zu einer Hubbewegung antreibt. Die winkelversetzte Anordnung der Pumpenkolben bewirkt einen phasenverschobenen Antrieb der Pumpenkolben, der wiederum eine Phasenverschiebung der Förderströme der Pumpenkolben bewirkt. Die Förderströme der Pumpenkolben addieren sich, die Druckpulsation verringert sich und zwar sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite der Mehrkolbenpumpe. Die V- oder Sternanordnung der Pumpenkolben um einen gemeinsamen Exzenter ist nicht zwingend, wesentlich ist der phasenverschobene Antrieb, der beispielsweise auch bei einer Reihenanordnung der Pumpenkolben möglich ist. Die Pumpenkolben der bekannten Mehrkolbenpumpe sind Stufenkolben. Es ist für bzw. in jedem Bremskreis eine Mehrkolbenpumpe vorgesehen, die einen gemeinsamen Antrieb mit einem Elektromotor aufweisen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Mehrkolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist zwei Pumpenkolben auf, die mit einer Phasenverschiebung, jedoch nicht gegenphasig angetrieben werden. Einlasse der beiden Pumpenkolben sind miteinander verbunden, ihr gemeinsamer Teil bildet einen Einlass der Mehrkolbenpumpe, der beispielsweise über ein Ansaugventil an einen Hauptbremszylinder einer hydraulischen Fahrzeugbremsanlage angeschlossen ist. Die bei- den Pumpenkolben weisen eine Fluidsteuerung auf, beispielsweise in bekannter

Weise mit Ventilen (Ein- und Auslassventile), insbesondere Rückschlagventilen. Außer den Pumpenkolben weist die erfindungsgemäße Mehrkolbenpumpe einen Ausgleichskolben ohne Fluidsteuerung, also ohne Ein- oder Auslassventil, auf. Der Ausgleichskolben kommuniziert mit den verbundenen Einlassen der Pum- penkolben, er wird in etwa gegenphasig zu einer mittleren Phasenverschiebung der beiden Pumpenkolben angetrieben. Damit ist gemeint, dass der Ausgleichskolben in etwa gegenphasig zu einer Überlagerung der Hübe der beiden Pumpenkolben angetrieben wird. Durch den gegenphasigen Antrieb verdrängt der Ausgleichskolben Fluid zu den verbundenen Einlassen der Pumpenkolben, wenn die Pumpenkolben Fluid an- saugen. Umgekehrt saugt der Ausgleichskolben Fluid aus den Einlassen der Pumpenkolben an, wenn diese kein Fluid ansaugen. Vorzugsweise hat der vom Ausgleichskolben verdrängte Fluidstrom dann sein Maximum, wenn die Summe der von den Pumpenkolben angesaugten Fluidströme ein Minimum hat und um- gekehrt. Eine Pulsation des von der erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe angesaugten Fluidstroms entspricht in etwa der Pulsation einer Mehrkolbenpumpe mit einer gleichen Kolbenzahl, d. h. einer Mehrkolbenpumpe mit so vielen Pumpenkolben wie die erfindungsgemäße Mehrkolbenpumpe Pumpen- und Ausgleichskolben hat. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe ist, dass ihr Ausgleichskolben keine Fluidsteuerung aufweist und ihr Bauaufwand deswegen geringer ist. Da Ventile stets einen Strömungswiderstand darstellen, ist ein ventilfreier Ausgleichskolben ohne Fluidsteuerung von Vorteil. Speziell bei niedriger Temperatur und infolge dessen zählflüssiger Bremsflüssigkeit kann die Förderleistung der erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe und ihre Druck- aufbaudynamik verbessert sein. Das ist als weiterer Vorteil der Erfindung anzusehen.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 sieht einen Stufenkolben als Ausgleichskolben vor. Ein Stufenkolben ermöglicht die Verbindung sowohl der Einlasse als auch die Auslässe der Pumpenkolben mit dem Stufenkolben (Anspruch 3), wobei die Einlasse und die Auslässe hydraulisch von- einander getrennt bleiben, es kommunizieren entweder die Einlasse der Pumpenkolben mit der Stufenfläche und die Auslässe der Pumpenkolben mit vorzugsweise der kleineren Kolbenfläche des Ausgleichskolbens oder umgekehrt. Dadurch wird die Druckpulsation am Ein- und am Auslass der Mehrkolbenpumpe verringert. Verglichen mit einem Pumpenkolben einer herkömmlichen Rückför- derpumpe, die als Stufenkolbenpumpe ausgebildet ist, ist der Ausgleichskolben der erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe vorzugsweise umgekehrt angeordnet, nämlich mit seiner durchmessergrößeren Seite dem ihn antreibenden Exzenter zugewandt. Anspruch 5 sieht stufenlose Pumpenkolben vor, der Ausgleichskolben ist wie gesagt vorzugsweise als Stufenkolben ausgebildet. Durch das erfindungsgemäße Mehrkolbenprinzip bringen Stufenkolben als Pumpenkolben keinen Vorteil im Vergleich mit stufenlosen Pumpenkolben, jedenfalls verringern Stufenkolben als Pumpenkolben nicht eine Druckpulsation des angesaugten Fluidstroms der erfindungsgemäßen Mehrkolbenpumpe. Vorteil stufenloser Pumpenkolben ist ein ge- ringerer Bauaufwand.

Als ideal ist eine Phasenverschiebung der beiden Pumpenkolben von etwa 90 Grad zueinander und des Ausgleichskolbens von etwa 135 Grad zu beiden Pumpenkolben anzusehen (Anspruch 6). Dadurch wird eine größtmögliche Kom- pensation der Pulsationen der Förderströme der Pumpen und des Ausgleichskolbens am Ein- und Auslass und damit eine niedrige Pulsation erreicht.

Hinsichtlich der Kompensation der Druckpulsationen der Pumpen- und des Ausgleichskolbens und für eine geringe Druckpulsation insgesamt ist ein Flächen- Verhältnis des Ausgleichskolbens zu einem Pumpenkolben von etwa 1 :V2 ideal anzusehen (Anspruch 7). Die durchmessergrößere Seite des Ausgleichskolbens kann dieselbe Kolbenfläche wie ein Pumpenkolben aufweisen.

Anspruch 8 sieht eine sternförmige Anordnung der Pumpenkolben und des Aus- gleichskolbens vor. Die Pumpen- und der Ausgleichskolben lassen sich in einer

Radialebene zu einem Exzenter, um den herum sie angeordnet sind und der sie phasenverschoben antreibt, anordnen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Mehrkolben- pumpe;

Figur 2 ein Förderstromdiagramm auf einer Druckseite der Mehrkolbenpumpe aus Figur 1 ; und Figur 3 ein Förderstromdiagramm auf einer Saugseite der Mehrkolbenpumpe aus Figur 1 . Figur 1 zeigt in schematisierter Form eine erfindungsgemäße Mehrkolbenpumpe 1 , die für hydraulische Fahrzeugbremsanlagen vorgesehen ist, beispielsweise als Rückförderpumpe einer blockierschutz-, antriebsschlupf- und/oder fahrdynamik- geregelten Fahrzeugbremsanlage. Übliche Abkürzungen solcher Regelungen sind ABS, ASR, FDS und/oder ESP. Eine weitere Einsatzmöglichkeit der Mehrkolbenpumpe 1 sind elektrohydraulische Fahrzeugbremsanlagen (Abkürzung: EHB). Bei letzteren handelt es sich um Fremdkraft-Bremsanlagen, bei denen der zum Bremsen erforderliche Betriebsbremsdruck mit einer Hydropumpe, bei- spielsweise der Mehrkolbenpumpe 1 , erzeugt wird, die Teil einer Fremdenergieversorgungseinrichtung der elektrohydraulischen Fahrzeugbremsanlage ist.

Die Mehrkolbenpumpe 1 weist zwei stufenlose Pumpenkolben 2 auf, die um 90 Grad winkelversetzt radial zu einem Exzenter 3 angeordnet sind. Der Exzenter 3 ist mit einem nicht dargestellten Elektromotor um seine Drehachse 4 drehend antreibbar. Kolbenfedern 5 halten Stirnflächen der Pumpenkolben 2 in Anlage an einen Umfang des Exzenters 3, so dass durch drehenden Antrieb des Exzenters 3 die Pumpenkolben 2 zu hin- und hergehenden Hubbewegungen angetrieben werden. Im gezeichneten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kolbenfedern 5 Schraubendruckfedern, die an dem Exzenter 3 abgewandten Stirnseiten der Pumpenkolben 2 angeordnet sind.

Die Pumpenkolben 2 sind in Zylindern 6 axialverschieblich aufgenommen, die Verschieberichtung ist radial zur Drehachse 4 des Exzenters 3. In der prakti- sehen Ausführung ist vorgesehen, die Pumpenkolben 2 in Pumpenbohrungen in einem nicht dargestellten, sog. Hydraulikblock axialverschieblich aufzunehmen, der an die Stelle der gezeichneten Zylinder 6 tritt.

Die Pumpenkolben 2 weisen integrierte Einlassventile 7 auf, die als Rückschlag- ventile ausgebildet sind. Über Bohrungen 8 im Pumpenkolben 2 kommunizieren die Einlassventile 7 mit Einlassen 9, wobei die Einlasse 9 der Pumpenkolben 2 verbunden sind zu einem Einlass 10 der Mehrkolbenpumpe 1.

Ein Auslass aus den Zylindern 6 erfolgt durch Auslassventile 1 1 , die ebenfalls als Rückschlagventile ausgebildet sind. Die Auslässe 12 der Pumpenkolben 2 sind zu einem Auslass 13 der Mehrkolbenpumpe 1 verbunden. Durch den Hubantrieb der Pumpenkolben 2 mit dem drehenden Exzenter 3 saugen die Pumpenkolben 2 in an sich bekannter Weise während eines Rückhubs Fluid, hier Bremsflüssigkeit, durch den Einlass 9, 10 an und verdrängen die Bremsflüssigkeit während eines Arbeitshubs zum Auslass 12, 13. Dies ist von

Kolbenpumpen an sich bekannt und soll hier nicht näher erläutert werden. Der Winkelversatz der beiden Pumpenkolben 2 von 90 Grad bewirkt einen Phasenversatz ihres Antriebs von ebenfalls 90 Grad. Den beiden stufenlosen Pumpenkolben 2 gegenüber, d.h. zu beiden Pumpenkolben 2 um je 135 Grad winkelversetzt, ist ein gestufter Ausgleichskolben 14 angeordnet, der ebenfalls von einer Kolbenfeder 5 gegen den Umfang des Exzenters 3 gedrückt wird. Ein Hubantrieb des Ausgleichskolbens 14 erfolgt wie der Hubantrieb der Pumpenkolben 2 durch drehenden Antrieb des Exzenters 3. Auf- grund des Winkelversatz von 135 Grad zu den Pumpenkolben 2 wird der Ausgleichskolben 14 mit einem Phasenversatz von 135 Grad zu den beiden Pumpenkolben 2 angetrieben. Anders ausgedrückt wird der Ausgleichskolben 14 ge- genphasig zu einer mittleren Phasenverschiebung der Pumpenkolben 2 bzw. zu einer Überlagerung ihrer beiden Hubbewegungen angetrieben. Ein durch- messergrößeres Ende des Ausgleichskolbens 14 ist dem Exzenter 3 zugewandt, eine Stufenfläche 15 ist dem Exzenter 3 abgewandt. Der Ausgleichskolben 14 ist in einem gestuften Zylinder 16 bzw. einer gestuften Pumpenbohrung 17 des hier nicht dargestellten Hydraulikblocks, der an die Stelle des Zylinders 16 tritt, axial verschieblich geführt. Die Verschieberichtung des Ausgleichskolbens 14 ist radial zur Drehachse 4 des Exzenters 3. Die insgesamt drei Kolben 2, 14 der Mehrkolbenpumpe 1 , nämlich die beiden Pumpenkolben 2 und der Ausgleichskolben 14, sind sternförmig um den Exzenter 3 angeordnet, wobei wie gesagt der Winkelversatz zwischen den beiden Pumpenkolben 2 90 Grad und von beiden Pumpenkolben 2 zum Ausgleichskolben 14 je 135 Grad beträgt.

Der Ausgleichskolben 14 weist keine Ventile oder sonstige Fluidsteuerung auf. Ein durchmessergrößerer Teil der gestuften Pumpenbohrung 17 ist durch den Ausgleichskolben 14 hydraulisch vom durchmesserkleineren Teil der Pumpenbohrung 17 getrennt. Die Stufenfläche 15 des Ausgleichskolbens 14 kommuni- ziert mit den Einlassen 9 der Pumpenkolben 2 und damit mit dem Einlass 10 der

Mehrkolbenpumpe 1. Die durchmesserkleinere Kolbenfläche 18 des Ausgleichs- kolbens 14 kommuniziert mit den Auslässen 12 der Pumpenkolben 2 und damit mit dem Auslass 13 der Mehrkolbenpumpe 1. Die Stufenfläche 15 des Ausgleichskolbens 14 ist um den Faktor V2 kleiner als eine Kolbenfläche der Pumpenkolben 2. Der durchmessergrößere Teil des Ausgleichskolbens 14 weist den gleichen Durchmesser wie die Pumpenkolben 2 auf.

Verdrängen die beiden Pumpenkolben 2 während ihrer Arbeitshübe Bremsflüssigkeit durch ihre Auslässe 12 in den Auslass 13 der Mehrkolbenpumpe 1 , vollführt der Ausgleichskolben 14 wegen seines gegenphasigen Antriebs einen Rückhub, er saugt mit seiner Kolbenfläche 18 auf der durchmesserkleineren Seite Bremsflüssigkeit aus dem Auslass 13 der Mehrkolbenpumpe 1 an. Dadurch verringert sich der durch den Auslass 13 austretende Förderstrom der Mehrkolbenpumpe 1 . Im umgekehrten Fall, während der Rückhübe der Pumpenkolben 2 verdrängen die Pumpenkolben 2 keine Bremsflüssigkeit. Der Ausgleichskolben 14 vollführt einen Arbeitshub und verdrängt die während des vorangegangenen

Rückhubs aus dem Auslass 13 angesaugte Bremseflüssigkeit wieder in den Auslass 13, so dass auch während der Rückhübe der Pumpenkolben 2, während deren die Pumpenkolben 2 keine Bremsflüssigkeit verdrängen, die Mehrkolbenpumpe 1 einen Förderstrom aus ihrem Auslass 13 aufweist.

Der Förderstrom aus dem Auslass 13 der Mehrkolbenpumpe 1 ist geglättet, eine Druckpulsation verringert. Die Strömungsverhältnisse sind in dem Diagramm der Figur 2 veranschaulicht, das auf einen maximalen Förderstrom eines Pumpenkolbens 2 normiert ist. Zu sehen sind die beiden sinusförmigen und um 90 Grad phasenversetzte Förderströme Vi, V _N der beiden Pumpenkolben 2. Die Förderströme Vi _, V|| der Pumpenkolben 2 erstrecken sich nur über die positiven Sinus- Halbwellen, weil die Pumpenkolben 2 beim Rückhub keine Bremsflüssigkeit verdrängen. Der Volumenstrom des V _A des Ausgleichskolbens 14 ist ebenfalls sinusförmig und um 135 Grad phasenversetzt zu den Förderströmen Vi, V _N beider Pumpenkolben 2, d.h. der Volumenstrom V _A des Ausgleichskolbens 14 ist ge- genphasig zur Summe der Förderströme Vi _, V _N , der beiden Pumpenkolben 2. Im Unterschied zu den Förderströmen Vi _, V _N der beiden Pumpenkolben 2 erstreckt sich der Volumenstrom V _A des Ausgleichskolbens 14 über die gesamte Sinuswelle, also auch über die negative Halbwelle, weil der Ausgleichskolben 14 während einer halben Drehung des Exzenters 3 Bremsflüssigkeit aus dem Auslass 13 ansaugt und während der anderen halben Drehung des Exzenters 3 die zuvor an- gesaugte Bremsflüssigkeitsmenge wieder in den Auslass 13 verdrängt. Insgesamt ergibt sich der geglättete Förderstrom V im Auslass 13 der Mehrkolbenpumpe 1 , der eine geringe Welligkeit und eine niedrige Druckpulsation aufweist. Auch im Einlass 10 der Mehrkolbenpumpe 1 bewirkt der Ausgleichskolben 14 eine Glättung des hier als Saugstrom bezeichneten Förder- oder Volumenstroms: Wenn die beiden Pumpenkolben 2 während ihrer Rückhübe Bremsflüssigkeit aus dem Einlass 10 ansaugen, vollführt der Ausgleichskolben 14 seinen Arbeitshub, so dass er mit seiner Stufenfläche 15 Bremsflüssigkeit in den Einlass 10 ver- drängt und den Saugstrom dadurch verringert. Wenn die beiden Pumpenkolben

2 während ihrer Arbeitshübe keine Bremsflüssigkeit ansaugen, vollführt der Ausgleichskolben 14 seinen Rückhub und saugt mit seiner Stufenfläche 15 Bremsflüssigkeit aus dem Einlass 10 der Mehrkolbenpumpe 1 an, so dass die Mehrkolbenpumpe 1 auch während der Arbeitshübe der Pumpenkolben 2 Bremsflüssig- keit ansaugt. Der Ausgleichskolben 14 bewirkt auf diese Weise auch eine Glättung des Saugstroms in den Einlass 10 der Mehrkolbenpumpe 1. Die Volumenströme im Einlass 10 der Mehrkolbenpumpe 1 zeigt das Diagramm in Figur 3, das auf den maximalen Saugstrom eines Pumpenkolbens 2 normiert ist. Die Saugströme Si, S _N der Pumpenkolben 2 sind negativ dargestellt, weil sie in die Mehrkolbenpumpe 1 fließen. Auf der Saugseite der Mehrkolbenpumpe 1 , also im

Einlass 10, ergeben sich an sich dieselben Verhältnisse wie auf der Druckseite, d. h. im Auslass 13: Die Saugströme Si, Sn der Pumpenkolben 2 erstrecken sich jeweils über die negative Sinushalbwelle und sind um 90 Grad zueinander phasenversetzt. Der Volumenstrom SA der Stufenfläche 15 des Ausgleichskolbens 14 erstreckt sich über die ganze Sinuswelle und gleicht die Saugströme Si _, S _N der

Pumpenkolben 2 aus, so dass sich im Einlass 10 der Mehrkolbenpumpe 1 der Saugstrom S mit geringer Welligkeit ergibt.