Beschreibung

Titel

Kolbenpumpe zur Förderung eines Fluids und zugehöriges Bremssystem

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kolbenpumpe zur Förderung eines Fluids nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 , welche insbesondere in Bremssystemen von Fahrzeugen verwendet wird.

Solche Kolbenpumpen werden in Fahrzeugen mit hydraulischen oder elektrohydrauli- schen Fahrzeugbremssystemen vorzugsweise als Rückforderpumpen verwendet, um einen Bremsdruck in den Radbremszylindern wahlweise abzusenken oder zu erhöhen, wodurch der Bremsdruck in den Radbremszylindern regelbar ist. Eine solche Regelung kann beispielsweise in einem Antiblockiersystem (ABS), in einem Antriebsschlupfregelungssystem (ASR-System), in einem Fahrdynamikregelsystem usw. durchgeführt werden. Fig. 1 bis 3 zeigen eine herkömmliche Kolbenpumpe, die in einem Fahrzeugbremssystem eingesetzt wird. Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst eine herkömmliche Kolbenpumpe 1 eine Kolbenbaugruppe 2, die ein erstes Kolbenelement 2.1 mit einem Dichtelement 13 und ein zweites Kolbenelement 2.2 aufweist, ein Einlassventil 5, ein Auslassventil 6 und einen Zylinder 8. Das Einlassventil 5 ist als Rückschlagventil ausgebildet und umfasst ein Käfigelement 11, in dem eine Einlassventilfeder 5.2 und ein Einlassventildicht- element 5.3 angeordnet ist, wobei das Einlassdichtelement 5.3 beispielsweise als Dichtscheibe ausgeführt ist, die mit einem korrespondierenden Einlassventilsitz 5.1 dichtend zusammen wirken kann, der am zweiten Kolbenelement 2.2 angeordnet ist, wobei das zweite Kolbenelement 2.2 kraftschlüssig mit dem Käfigelement 11 verbunden ist. Das Auslassventil 6 ist ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet und in einem Deckelelement 12 angeordnet. Das Auslassventil 6 wird geöffnet, wenn ein Druck in einem Kompressionsraum 8 größer als eine auf ein Auslassventildichtelement 6.2 des Auslassventils 6 wirkende Federkraft einer Auslassventilfeder 6.3 ist, wodurch das Aus-

lassventildichtelement 6.2 aus einem an einer Auslassöffhung 8.3 des Zylinders 8 angeordneten Auslassventilsitz 6.1 gedrückt wird.

Während eines Saughubs der Kolbenbaugruppe 2 wird Fluid über eine Filterhülse 9 und im ersten Kolbenelement 2.1 angeordnete Querbohrungen 3 radial angesaugt und über die mit den Querbohrungen 3 korrespondierende Längsbohrung 4 im zweiten Kolbenelement 2.2 und das geöffnete Einlassventil 5 in den Kompressionsraum 8.1 geführt, der im Zylinder 8 zwischen dem Einlassventil 5 und dem Auslassventil 6 angeordnet ist. Nach Erreichen eines oberen Totpunktes kehrt sich die Bewegungsrichtung der Kolbengruppe 2 um, so dass das zweite Kolbenelement 2.2 mit dem Einlassventilsitz 5.1 über das durch einen in einem Exzenterraum 15 angeordneten Exzenter 14 angetriebene erste Kolbenelement 2.1 dichtend auf das Einlassventildichtelement 5.3 gedrückt wird und das Einlassventil 5 geschlossen wird. Nun erfolgt im Kompressionsraum 8.1 so lange ein Druckaufbau, bis der Druck im Kompressionsraum 8.1 größer als die Federkraft des Auslass- ventils 6 ist, wodurch das unter Druck stehende Fluid über die Auslassöffnung 8.3 und das geöffnete Auslassventil 6 aus dem Druckraum 8.1 in eine nicht dargestellte Auslassleitung geleitet wird.

Nach Erreichen des unteren Totpunktes kehrt sich die Bewegungsrichtung der Kolben- gnαppe 2 wieder um, so dass das Auslassventil 6 wieder schließt und der Ansaughub wieder beginnt, wobei eine Rückstellkraft F2 einer im Kompressionsraum 8.1 angeordneten und von einer Zylinderwand 8.4 geführten Rückstellfeder 10, die beispielsweise als Spiralfeder mit angeschliffenen Endwindungen ausgeführt ist und sich an einem Zylinderbo- den 8.2 und an einem Käfigelement 11 abstützt, gegen das Käfigelement 11 des Einlass- ventils 5 und somit gegen das zweite Kolbenelement 2.2 wirkt, um die Kolbenbaugruppe

2 wieder in Richtung oberer Totpunkt zu bewegen. Daher wirken auf das zweite Kolbenelement 2.2, das den Einlassventilsitz 5.1 trägt, während des Betriebs axiale Kräfte Fl und F2, welche zum einen vom Exzenter 14 bewirkt und über das erste Kolbenelement 2.1 eingeleitet werden, und zum anderen von der Rückstellfeder 10 bewirkt und über das Käfigelement 11 eingeleitet werden, und radiale Kräfte F3, die durch den herrschenden

Systemdruck erzeugt werden.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe nach den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Rückstellfeder als einfache zylindrische Spiralfeder ausgeführt ist, d.h. ohne angeschliffene Endwindungen ausgeführt ist. Die als Spiralfeder ausgeführte Rückstellfeder stützt sich axial mit einer oberen Endwin- düng an einem Käfigelement und mit einer unteren Endwindung an einem Zylinderboden ab, wobei das Käfigelement ein elastisches Hochdruckdichtelement aufweist, das zu einer Zylinderwand hin einen radialen Auflagebereich zur Aufnahme und Zentrierung der oberen Endwindung der Rückstellfeder aufweist, und wobei der Zylinder, in dem die Rückstellfeder angeordnet ist, an einem übergang zwischen der Zylinderwand und dem Zylin- derboden zur Führung der Rückstellfeder einen an die unter Endwindung angepassten Zylinderbodenradius aufweist. Durch die Ausführung ohne angeschliffene Endwindungen kann die als Spiralfeder ausgeführte Rückstellfeder kostengünstig hergestellt werden. Zudem kann durch den Zylinderbodenradius die Kerbspannung reduziert werden, wodurch der Zylinderboden extrem dünn hergestellt werden kann, so dass die Bauteillänge in vor- teilhafter Weise reduziert werden kann. Der Zylinderbodenradius entspricht beispielsweise einem Radius des Federdrahtes der Rückstellfeder. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe kann beispielsweise als Rückförderpumpe in einem Bremssystem für ein Fahrzeug eingesetzt werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Kolbenpumpe möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass der radiale Auflagebereich für das obere Windungsende der als Spiralfeder ausgeführten Rückstellfeder als radiale Aufnahmenut ausgeführt ist, wodurch die als Spiralfeder ausgeführte Rückstellfeder auch ohne angeschliffene Win- dungsenden zentriert geführt werden kann. Des Weiteren kann die radiale Aufnahmenut am äußeren Rand als flexible Dichtlippe ausgeformt werden, die den Kompressionsraum zur Zylinderwand druckdicht abschließt, wobei die Dichtlippe im Lastfall Drücke bis 100 bar abdichten kann. Durch die Kombination der radialen Aufnahmenut und der Dichtlippe baut das Hochdruckdichtelement in vorteilhafter Weise sehr kurz. Zudem ist das elastische Hochdruckdichtelement ausgeführt ist, um radial wirkende Kraftkomponenten aufzunehmen und den Kompressionsraum bei höheren Drücken, z.B. bis 500 bar, über eine radiale Dichtfläche gegen die Zylinderwand abzudichten, wobei die radiale Dichtfläche durch eine druckbedingte Aufweitung des Hochdruckdichtelement ausgeformt wird, und

- A -

wobei die Dichtfunktion dann durch den gesamten radialen Außendurchmesser des Hochdruckdichtelements gewährleistet wird. Des Weiteren dichtet das Hochdruckdichtelement über eine axiale Dichtfläche gegen eine Kolbenbaugruppe axial ab, die von der Rückstellfeder über das Hochdruckdichtelement in eine Ausgangslage zurückgeführt wird. Hierbei wird das Hochdruckdichtelement bei höheren Drücken durch die steife Zy- linderwand und den steifen Ventilsitz unterstützt, die beide aus einem verschleißfesten Material hergestellt sind. Demzufolge muss das Hochdruckdichtelement nur geringe Differenzdruckkräfte aufnehmen und erfährt so nur eine geringe Dehnung.

In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe umfasst die Kolbenbaugruppe ein erstes Kolbenelement und ein zweites Kolbenelement, wobei ein Einlassventilsitz aus einem verschleißfesten Material besteht und am zweiten Kolbenelement angeordnet ist, das axial wirkende Kraftkomponenten aufnimmt. Im zweiten Kolbenelement ist mindestens eine mit einer Längsbohrung korrespondierende Querbohrung eingebracht, wobei das elastische Hochdruckdichtelement über die axiale Dichtfläche gegen das zweite Kolbenelement axial abdichtet. Da das Hochdruckdichtelement die radial wirkenden Kraftkomponenten aufnimmt, muss die mit dem Hockdruckdichtelement gekoppelte Kolbenbaugruppe nur noch die wirkenden Axialkräfte aufnehmen und erfährt keine weitere Verformung durch zusätzliche Radialkräfte. Diese Aufteilung der axialen und radialen Kraft- komponenten auf je ein Bauteil führt in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung der

Bauteilbelastungen in Bezug auf Dehnung und Spannung und ermöglicht die Ausführung der Bauteile mit einer geringeren Bauteilfestigkeit. Durch die Spannungsminimierung können die mindestens eine als Querbohrung ausgeführt Ansaugbohrung und die korrespondierend Längsbohrung im zweiten Kolbenelement eingebracht werden, wobei das Kä- figelement mit dem elastischen Hochdruckdichtelement und das zweite Kolbenelement mit dem Einlassventilsitz als Kunststoffspritzteile ausgeführt werden können. Die Ausführung als Kunststoffspritzteile ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache, kostengünstige Herstellung der Bauelemente, wobei eine komplexe Formgestaltung möglich ist. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Kolbenpumpe eine extreme Kostenreduzie- rang der Kolbenbaugrappe und eine einfache Montage. Zudem stellt die erfindungsgemäße Kolbenpumpe ein verbessertes Saugverhalten, eine höhere Drackbeständigkeit und einen extrem kurzen Einlassbereich zur Verfügung.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist das erste Kolbenele- ment beispielsweise als zylindrische Nadelrolle ausgeführt und steht in vorteilhafter Wei-

se als in Massenfertigung hergestelltes Normteil zur Verfügung. Da eine übertragung der Antriebskraft eines Exzenters über eine Linienberührung auf dem als massive Metallnadelrolle, vorzugsweise als Stahlnadelrolle ausgeführten ersten Kolbenteils erfolgt, kann der Verschleiß in vorteilhafter Weise reduziert werden.

Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten, herkömmlichen Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer herkömmlichen Kolbenpumpe.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer herkömmlichen Kolbenpumpe.

Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Komponenten eines Emiassventils für die herkömmliche Kolbenpumpe gemäß Fig. 1 oder 2.

Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Komponenten eines Emiassventils für eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe.

Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Kompressionsbereichs einer erfin- dungsgemäßen Kolbenpumpe.

Ausführungsformen der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe, die als Rückförderpumpe in einem Fahrzeug- bremssystem eingesetzt werden kann, umfasst im Wesentlichen die gleichen Komponenten wie die unter Bezugnahem auf Fig. 1 bis 3 beschriebene herkömmliche Kolbenpumpe 1. Daher werden hier zur Vermeidung von Textwiederholungen nur die wesentlichen Unterschiede zwischen der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe und der herkömmlichen Kolbenpumpe 1 gemäß Fig. 1 bis 3 detailliert beschrieben. Im Unterschied zur herkömmli-

chen Kolbenpumpe 1 gemäß Fig. 1 bis 3, umfasst die erfindungsgemäße Kolbenpumpe eine verbesserte Rückstellfeder in Kombination mit einem Hochdruckdichtelement.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, umfasst das Einlassventil 25 der erfindungsgemäßen KoI- benpumpe analog zur herkömmlichen Kolbenpumpe 1 ein Käfigelement 31 , in dem eine

Einlassventilfeder 25.2 und ein Einlassventildichtelement 25.3, das beispielsweise als Dichtkugel ausgeführt ist, angeordnet ist, und einen korrespondierenden Einlassventilsitz 25.1, der an einem zweiten Kolbenelement 22.2 einer Kolbenbaugruppe 22 angeordnet ist, wobei das Einlassventildichtelement 25.3 durch eine Federkraft der Einlassventilfeder 25.2 dichtend in den korrespondierenden Einlassventilsitz 25.1 gedrückt werden kann.

Die Kolbenbaugruppe 22 umfasst ein erstes Kolbenelement 22.1 , das hier beispielhaft als zylindrische Nadelrolle ausgeführt ist, und das zweite Kolbenelement 22.2, wobei der Einlassventilsitz 25.1 aus einem verschleißfesten bzw. aus einem harten Material besteht. Im Unterschied zur herkömmlichen Kolbenpumpe 1 weist das Käfigelement 31 der erfin- dungsgemäßen Kolbenpumpe ein elastisches Hochdruckdichtelement 31.1 auf, das ausgeführt ist, um radial wirkende Kraftkomponenten F3 aufzunehmen und bei Drücken bis 100 bar über eine radiale Dichtlippe 31.2 und bei höheren Drücken über eine zusätzliche radiale Dichtfläche 31.3 gegen eine in Fig. 5 dargestellte Zylinderwand 28.4 abzudichten und über eine axiale Dichtfläche 31.5 gegen die Kolbenbaugruppe 22 axial abzudichten, d.h. gegen das zweite Kolbenelement 22.2, das an der axialen Dichtfläche 31.5 anliegt.

Das zweite Kolbenelement 22.2 nimmt im Unterschied zur herkömmlichen Kolbenpumpe 1 nur noch die axial wirkenden Kraftkomponenten Fl und F2 auf, so dass im zweiten Kolbenelement 22.2 eine Längsbohrung 24 und mit der Längsbohrung 24 korrespondie- rende Querbohrungen 23 eingebracht werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Käfigelement 31 mit dem elastischen Hochdruckdichtelement 31.1 und das zweite Kolbenelement 22.2 mit dem Einlassventilsitz 25.1 als Kunststoffspritzteile ausgeführt, wodurch in vorteilhafter Weise eine einfache, kostengünstige Herstellung der Bauelemente ermöglicht wird, wobei eine komplexe Formgestaltung möglich ist. Zudem ist das erste Kolbenelement 22.1 im dargestellten Ausführungsbeispiel fest mit dem zweiten

Kolbenelement 22.2 gekoppelt. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das erste Kolbenelement 22.1 lose mit dem zweiten Kolbenelement 22.2 gekoppelt werden. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung des Einlassventils 25 in Kombination mit der Kolbenbaugruppe 22 eine extreme Kostenreduzierung der Kolbenpumpe und eine einfache Montage. Zudem stellt die erfindungsgemäße Kolbenpumpe ein ver-

bessertes Saugverhalten, eine höhere Druckbeständigkeit und einen extrem kurzen Emiassbereich zur Verfügung.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die Kolbenbaugruppe 22 mit dem Einlassventil 25 längsbeweglich in einem Zylinder 28 eines Kompressionsbereichs 40 geführt, wobei während eines Saughubs der Kolbenbaugruppe 22 Fluid durch die Querbohrungen 23 im zweiten Kolbenelement 22.2 radial angesaugt und über die mit den Querbohrungen 23 korrespondierende Längsbohrung 24 durch das geöffnete Einlassventil 25 in einen Kompressionsraum 28.1 geführt wird. Nach Erreichen eines oberen Totpunktes kehrt sich die Bewegungsrichtung der Kolbengruppe 22 um, so dass das zweite Kolbenelement 22.2 mit dem Einlassventilsitz 25.1 über das durch einen nicht dargestellten Exzenter angetriebene erste Kolbenelement 22.1 dichtend auf das Einlassventildichtelement 25.3 gedrückt wird und das Einlassventils 25 geschlossen wird. Nun erfolgt im Kompressionsraum 28.1 so lange ein Druckaufbau, bis der Druck im Kompressionsraum 28.1 größer als die Feder- kraft eines nicht dargestellten Auslassventils ist, wodurch das unter Druck stehende Fluid über eine Auslassöffhung 28.3 und das geöffnete Auslassventil aus dem Druckraum 28.1 in eine nicht dargestellte Auslassleitung geleitet wird.

Nach Erreichen des unteren Totpunktes kehrt sich die Bewegungsrichtung der Kolben- gruppe 22 wieder um, so dass das Auslassventil wieder schließt und der Ansaughub wieder beginnt, wobei eine Rückstellkraft F2 einer im Kompressionsraum 28.1 angeordneten Rückstellfeder 30, die als einfache Spiralfeder ohne angeschliffene Windungsenden ausgeführt ist, gegen einen radialen Auflagebereich 31.4 drückt, der am Hochdruckdichtelement 31.1 angeordnet ist. Die Rückstellkraft F2 wird über das Hochdruckdichtelement 31.1 und die axiale Dichtfläche 31.5 axial auf das zweite Kolbenelement 22.2, wodurch die Kolbenbaugruppe 22 wieder in Richtung oberer Totpunkt bewegt wird. Der radiale Aufnahmebereich 31.4 ist zur Aufnahme und Zentrierung einer oberen Endwindung 30.1 der Rückstellfeder beispielsweise als radiale Aufhahmenut ausgeführt, in der sich die als Spiralfeder ausgeführte Rückstellfeder 30 mit der oberen Endwindung 30.1 abstützt. Durch die Kombination der radialen Aufhahmenut 31.4 und der Dichtlippe 31.2 baut das

Hochdruckdichtelement 31.1 in vorteilhafter Weise sehr kurz. über eine untere Endwindung 30.2 stützt sich die Rückstellfeder 30 auf einem Zylinderboden 28.2 ab. Hierbei weist der Zylinder 28 am übergang zwischen der Zylinderwand 28.4 und dem Zylinderboden 28.2 zur Führung der Rückstellfeder 30 einen an die unter Endwindung 30.2 ange- passten Zylinderbodenradius 28.4 auf. Der Zylinderbodenradius 28.4 entspricht Vorzugs-

weise einem Radius des Federdrahtes der Rückstellfeder 30. Durch die Ausführung ohne angeschliffene Endwindungen kann die als Spiralfeder ausgeführte Rückstellfeder 30 kostengünstig hergestellt werden. Zudem kann durch den Zylinderbodenradius 28.5 die Kerbspannung reduziert werden, wodurch der Zylinderboden 28.2 extrem dünn ausge- führt und die Bauteillänge in vorteilhafter Weise reduziert werden kann.

Wie weiter aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die radiale Ringnut 31.4 am äußeren Rand als flexible Dichtlippe 31.2 ausgeformt, die den Kompressionsraum 28.1 zur Zylinderwand 28.4 druckdicht abschließt. Da das elastische Hochdruckdichtelement 31.1 zwischen der me- tallischen Rückstellfeder 30 und dem aus einem verschleißbeständigen und somit härteren

Material hergestellten zweiten Kolbenelement 22.2 angeordnet ist, wird die radiale Dichtfläche 31.3 druckbedingt aufgeweitet, so dass das Hochdruckdichtelement 31.1 mit seinem vollständigen radialen Außendurchmesser dichtend an der Zylinderwand 28.4 anliegt. Während der Kompression des in den Kompressionsraum 28.1 eingesaugten Fluids dichtet das Hochdruckdichtelement 31.1 über die radiale Dichtfläche 31.3 radial gegen die Zylinderwand 28.4 und durch die axiale Dichtfläche 31.5 gegen das zweite Kolbenelement 22.2 ab. Zusätzlich dichtet das Einlassventildichtelement 25.3 axial gegen den Einlassventilsitz 25.1 im ersten Kolbenelement 22.2 ab.

In der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe werden die Bauteilgrößen des Hochdruckdichtelements und des Zylinders in vorteilhafter Weise reduziert. Durch die Ausführung ohne angeschliffene Endwindungen kann die als Spiralfeder ausgeführte Rückstellfeder kostengünstig hergestellt werden. Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine kostengünstige und bauraumoptimierte Kolbenpumpe mit einfach herzustellenden Bauteilen, die bei- spielsweise als Kunststoffspritzteile ausgeführt sind, wobei das Hochdruckdichtelement mit Unterstützung durch umliegende Bauteile bis 500 bar hochdruckfest ist, wobei die Dichtfunktion im Niederdruckbereich unter 100 bar durch die Dichtlippe am Hochdruckdichtelement ausgeführt wird.

.o0o.