DE102016224756A1

DE102016224756A1 - Hydraulisches Aggregat mit einem Kolben

Info

Publication number: DE102016224756A1
Application number: DE102016224756.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bischoff; Manfred Rüffer
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-14
Also published as: WO2018108448A1

Abstract

Hydraulisches Aggregat (1) insbesondere zum Erzeugen von Bremsdruck für eine hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlage, mit einem darin in eine Betätigungsrichtung (R) um eine Kolbenhublänge (H) axial versetzbaren Kolben (2), wobei mindestens ein Dichtelement (3) an einer Mantelfläche (4) des Kolbens (2) während seiner Versetzung in die Betätigungsrichtung (R) abgleitet und ein Ringspaltes (13) zum Durchströmen mit einem hydraulischen Druckmittel die Mantelfläche (4) radial außen umgibt. Um ein verbessertes gattungsgemäßes hydraulisches Aggregat mit eine verbesserten Nachsaugfähigkeit insbesondere bei geringen Hüben unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile realisiert werden kann wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Spaltbreite des Ringspaltes (13) durch die axiale Versetzung des Kolbens (2) wegabhängig veränderbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches Aggregat mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, insbesondere einen Hauptbremszylinder für eine hydraulische Kraftfahrzeug-Bremsanlage.
Derartige Aggregate mit axial versetzbaren Kolben, dessen Mantelfläche bei Betätigung von Dichtelementen abgestreift wird, sind in vielfältigen Ausprägungen bekannt, beispielsweise als Tandem-Hauptbremszylinder in „Plunger-Bauweise“. Bei derartigen Aggregaten übernimmt das Dichtelement im Zusammenspiel mit der Mantelfläche des Kolbens die Funktion eines Ventils. Bei Verschiebung des Kolbens in wird das hydraulische Druckmittel durch den äußeren Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Hauptkörper, beziehungsweise Gehäuse des Aggregats nachgesaugt und überströmt dabei die Dichtlippe des Dichtelements.
Speziell bei modernen Fahrdynamik-Regelungen ist es erforderlich, insbesondere bei leichten Betätigungen - Betriebszuständen mit in Relation zur vollen Kolbenhublänge nur geringfügig verschobenen Kolben - innerhalb kürzester Zeit möglichst viel Druckmittelvolumen mit einem möglichst geringen Durchflusswiderstand am Kolben vorbei nachsaugen zu können.
Die Durchflussmenge bei solchen hydraulikventlillosen Aggregaten ist systembedingt durch die Größe des Ringspaltes limitiert und Steifigkeit des Dichtelements limitiert. Daher muss bei Auslegung und Steuerung derartiger Aggregate stets das Risiko von Ausgasung und Kavitation, welche die Funktion, Geräuschemission und Dauerhaltbarkeit negativ beeinflussen, betriebseinschränkend berücksichtigt werden, womit der Wirkungsgrad und Effizienz des Aggregats sinkt.
Eine einfache Vergrößerung des Ringspaltes bei bekannten Aggregaten birgt insbesondere beim hohen hydraulischen Druck und langen Hüben des Kolbens die Gefahr einer sogenannten Spaltextrusion, hierbei wird das elastomere Dichtelement unter Einwirkung des Druckes in den Gleitspalt hinter dem Dichtelement gequetscht, was zu einer Beschädigung bis Zerstörung des Dichtelements führen kann. Zudem verschlechtert sich dadurch die Zentrierung des Kolbens im Hauptkörper.
Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, ein verbessertes gattungsgemäßes hydraulisches Aggregat mit eine verbesserten Nachsaugfähigkeit insbesondere bei geringen Hüben unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein hydraulisches Aggregat mit der Merkmalskombination nach dem Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche zusammen mit Figurenbeschreibungen geben weitere vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung an.
Die Erfindung sieht vor, dass eine Spaltbreite des Ringspaltes durch die axiale Versetzung des Kolbens wegabhängig veränderbar ist.
Die Weiterbildung der Erfindung sieht dabei vor, dass ein Außendurchmesser der Mantelfläche in Betätigungsrichtung zumindest bereichsweise verjüngend beziehungsweise sich verkleinernd ausgebildet ist. Die Gestaltung des Kolbens ist derart zu erfolgen, dass im hinteren Kolbenabschnitt des Kolbens der größere Außendurchmesser ausgeführt wird, welcher sich dann in Richtung Kolbenfront reduziert und in einem kleineren Außendurchmesser im vorderen Kolbenabschnitt endet.
Hierbei wird gemäß einer nächsten Weiterbildung der Erfindung der sich verjüngender Bereich kegelig mit einem Kegelwinkel ≤ 3° und gemäß einer weiteren Weiterbildung mit einer Axiallänge von wenigstens einem Fünftel der Kolbenhublänge ausgebildet. Dabei wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung im Wesentlichen die gesamte Mantelfläche des Kolbens in Betätigungsrichtung kegelig verjüngend ausgebildet.
Hierdurch wird erreicht, dass dem erfindungsgemäßen hydraulischen Aggregat bei wenig Hub zum Nachsaugen von hydraulischem Druckmittel zunächst ein größerer Ringspalt zur Verfügung gestellt ist und bei zunehmendem Hub und demensprechend auch höherem Druck der Ringspalt immer weiter reduziert wird. Damit wird die Gefahr einer Schädigung des Dichtelementes durch Extrusion effektiv reduziert und die Zentrierung nicht verschlechtert. Gleichzeitig wird bei geringen Drücken und Hüben ein reduzierter Durchflusswiderstand ermöglicht. Der Wirkungsgrad und die Geräuschentwicklung des hydraulischen Aggregats werden verbessert.
Gemäß einer erfindungsgemäße Ausführungsform wird eine in Betätigungsrichtung vordere radiale Außenkante des Kolbens verrundet oder Angefast ausgebildet, wodurch die Gefahr einer Beschädigung des Dichtelements insbesondere bei Montage reduziert und die Strömung an der Kolbenkante im Betrieb verbessert wird.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Kolben an seinem in Betätigungsrichtung vorderen Kolbenabschnitt mit wenigstens einem umlaufenden sowie nach innen gerichteten Radialabsatz versehen. Dadurch wird insbesondere im bei einem Hauptbremszylinder das Ansprechverhalten verbessert und die Geräuschentwicklung reduziert.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Kolben an seinem in Betätigungsrichtung vorderen Kolbenabschnitt mit wenigstens einer und vorzugsweise mehreren am Umfang verteilten Querbohrungen versehen. Dadurch kann das Nachlaufen des Druckmittels und das Sperren der Druckkammer wegabhängig angepasst das Ansprechverhalten des Aggregats gesteuert werden.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Kolben an seinem in Betätigungsrichtung vorderen Kolbenabschnitt mit wenigstens einer und vorzugsweise mehreren am Umfang verteilten axial gerichteten Nuten versehen. Durch die Anzahl und Form der Nuten kann das Ansprechverhalten des Aggregats und der Verlauf von Reaktionskräften auf den Kolben besonders feinfüllig gesteuert und besonders effiziente, beispielsweise werkzeugabbildenden Fertigungsverfahren ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kolben im Wesentlichen aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung hergestellt werden, womit dieser besonders leicht und zugleich stabil ausgeführt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Kolben im Wesentlichen aus einem Kunststoffwerkstoff, insbesondere einem Phenolharz oder aus einem, den Phenolharz enthaltenden Verbundwerkstoff. Dadurch kann der Kolben mit vielfältigen Formgestaltungen und besonders kostengünstig hergestellt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird der Kolben mittels eines werkzeugabbildenden Fertigungsverfahren hergestellt, beispielsweise einem Spritzgießverfahre bei einer Kunststoffausführung oder einen Pressverfahren, insbesondere Fließpressverfahren bei einer Leichtmetallausführung. Dadurch können die Herstellkosten beispielsweise
Gegenüber konventionellen spanabhebenden Verfahren wie Drehen oder Fräsen drastisch reduziert werden.
Selbstverständlich bleiben jedoch beliebige anderen geeigneten Herstellverfahren und Werkstoffe innerhalb der Erfindung für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens weiter zulässig.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen. Hierbei zeigt:

1 beispielhaft ein als ein Tandem-Hauptbremszylinder ausgeführtes erfindungsgemäßes Bremsgeräts.
2 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäße Kolbens mit Verjüngung der gesamten Mantelfläche.
3 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäße Kolbens mit Verjüngung eines Bereichs Mantelfläche.
4 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einem sich verjüngenden Bereich Mantelfläche, der beidseitig von zylindrischen Bereichen der Mantelfläche flankiert ist.
5 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze des vorderen Kolbenabschnitts einer Ausführung eines erfindungsgemäße Kolbens mit einer außen angefasten Vorderkante.
6 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze des vorderen Kolbenabschnitts einer Ausführung eines erfindungsgemäße Kolbens mit einem radialen Absatz.
7 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze des vorderen Kolbenabschnitts einer Ausführung eines erfindungsgemäße Kolbens mit einer axialen Außennut.
8 eine vereinfachte nicht maßstäbliche Skizze des vorderen Kolbenabschnitts einer Ausführung eines erfindungsgemäße Kolbens mit einer Querbohrung.

Fig.1
1 zeigt in Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes hydraulisches Aggregat 1 am Beispiel eines Tandem Hauptbremszylinders nach Plunger-Bauart. Die Erfindung ist jedoch genauso auf andere Aggregate oder andere Bremsgeräte abweichender Bauart, jedoch mit wenigstens einem axial verschiebbaren und an einem radial äußeren Dichtelement abgleitenden Kolben anwendbar.
In dem Hauptkörper 10 aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, ist ein sackförmiger Hohlraum 11 angeordnet, welcher Bereiche mit kreisrunden Bohrungsquerschnitten besitzt, in denen zueinander koaxial sowie axial hintereinander ein erster Kolben 2 und ein zweiter Kolben 2' axial entlang der Betätigungsrichtung R verschiebbar angeordnet sind. Weitere Beschreibung bezieht sich auf den ersten Kolben 2, für den zweiten Kolben 2' gilt das Äquivalente.
Der Kolben 2 begrenzt im Hohlraum 11 eine mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbare Hydraulikkammer 12 in welche er zur Erzeugung von hydraulischem Druck versetzt wird. Der größtmögliche axiale Verschiebeweg des Kolbens beziehungsweise seine Kolbenhublänge H ist konstruktiv festgelegt. Zwischen dem Kolben 2 und dem Hauptkörper 10 befindet sich ein Ringspalt 13. Ein Dichtelement 3 ist in dem Hauptkörper 10 festgehalten und streift während der Bewegung des Kolbens 2 entlang der Kolbenhublänge H mit einer Dichtlippe an einer radial äußeren Mantelfläche 4 des Kolbens 2 ab. Bei Verschiebung des Kolbens 2 wird aus einem hier nicht gezeigten Druckmittelbehälter das hydraulische Druckmittel durch den Ringspalt 13 in die Hydraulikkammer 12 gesaugt, es überströmt dabei die meist richtungsabhängig dichtend ausgebildete Dichtlippe des Dichtelements 3.
Fig.2
In der 2 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Kolbens 2 stark vereinfacht im Querschnitt dargestellt.
Die Mantelfläche 4 des Kolbens 2 ist nicht zylindrisch, sondern verjüngt sich in Betätigungsrichtung R, so dass der Außendurchmesser D sich in Betätigungsrichtung R stets verkleinert.
In der gezeigten Ausführungsform ist der sich verjüngender Bereich 5 kegelig ausgebildet und erstreckt sich in axiale Richtung über die gesamte Mantelfläche 4 des Kolbens 2, so dass der Außendurchmesser Dh an einem in Bezug auf die Betätigungsrichtung R hinteren Kolbenabschnitt größer als der Außendurchmesser Dv im vorderen Kolbenabschnitt ausgebildet ist und im Querschnitt die beiden Durchmesser durch eine gerade Linie verbunden sind. Bei dieser bevorzugten weil am einfachsten herstellbaren Ausführung verkleinert sich der Ringspalt 13 wegabhängig linear.
Innerhalb der Erfindung sind jedoch andere Ausführungen für eine wegabhängig nichtlineare, beispielsweise
Verkleinerung des Ringspaltes 13 möglich und zulässig. Hierfür wird die Verbindung zwischen den beiden Durchmessern Dv und Dh im Querschnitt konvex oder konkav ausgeführt.
Der Kegelwinkel α wird gewählt in Abhängigkeit von der gewünschten Kolbenhublänge H oder eines Teilhubes und der Axiallänge des verjüngenden Bereichs 5 vorzugsweise bis höchstens 3°, insbesondere jedoch in einem Bereich zwischen 0,5° und 1,5°.
Fig.3
In der hier gezeigten weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 2 erstreckt sich der sich verjüngende Bereichs 5 über lediglich ein Teil der gesamten Mantelfläche 4.
Für um die gewünschte Wirkung im Sinne der gestellten Aufgabe möglichst effektiv zu erzielen, sollte die Ausdehnung des sich verjüngenden Bereichs 5 vorzugsweise mindestens ein Fünftel der Kolbenhublänge H betragen.
Fig.4
In der hier gezeigten weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 2 ist der sich verjüngende, nichtzylindrische Bereichs 5 beidseitig von konventionell ausgeführten zylindrischen Bereichen der Mantelfläche 4 flankiert. Es versteht sich, dass die Übergänge von dem Bereich 5 zu den benachbarten Bereichen dichtungsschonend verrundet ausgebildet sind.
Fig.5
Die Gestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens 2 erlaubt die Anwendung verschiedener konstruktiver Maßnahmen, um Strömung und den Druckverlauf beim Nachströmen des Druckmittels weiter zu beeinflussen und so beispielsweise das Ansprechverhalten und die Geräuschemissionen des hydraulischen Aggregats sowie weiteren Kriterien zu steuern. Die in den nachfolgend offenbarten Ausführungsbeispielen gezeigten Konstruktionselemente sind innerhalb der Erfindung sowohl alleine, als auch in beliebigen Kombinationen möglich und zulässig.
Bei der in der 5 gezeigten Ausführung ist eine in Betätigungsrichtung R vordere radiale Außenkante 6 des Kolbens 2 mit einer Fase ausgebildet. Eine Verrundung an dieser Stelle ist innerhalb der Erfindung ebenfalls zulässig.
Fig.6
Bei der in der 6 gezeigten Ausführung verfügt der Kolben 2 an seinem in Betätigungsrichtung R vorderen Kolbenabschnitt über einen umlaufenden sowie nach innen gerichteten Radialabsatz 7.
Fig.7
Bei der in der 7 gezeigten Ausführung weist der Kolben 2 an seinem in Betätigungsrichtung R vorderen Kolbenabschnitt radial außen eine axial gerichtete Nut 8 auf. Vorzugsweise sollen dabei mehrere Nuten 8 über den Umfang des Kolbens 2 verteilt vorgesehen sein.
Fig.8
Bei der in der 7 gezeigten Ausführung weist der Kolben 2 an seinem in Betätigungsrichtung R vorderen Kolbenabschnitt eine Querbohrung 9 auf. Vorzugsweise sollen dabei mehrere Querbohrung 9 über den Umfang des Kolbens 2 verteilt vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Hydraulisches Aggregat
2: Kolben
3: Dichtelement
4: Mantelfläche
5: sich verjüngender Bereich
6: Außenkante
7: Radialabsatz
8: Nut
9: Querbohrung
10: Hauptkörper
11: Hohlraum
12: Hydraulikkammer
13: Ringspalt
14
α: Kegelwinkel
D: Außendurchmesser
Dv: Außendurchmesser im vorderen Kolbenabschnitt
Dh: Außendurchmesser im hinteren Kolbenabschnitt
H: Kolbenhublänge
R: Betätigungsrichtung

Claims

Hydraulisches Aggregat (1) insbesondere zum Erzeugen von Bremsdruck für eine hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlage, mit einem darin in eine Betätigungsrichtung (R) um eine Kolbenhublänge (H) axial versetzbaren Kolben (2), wobei mindestens ein Dichtelement (3) an einer Mantelfläche (4) des Kolbens (2) während seiner Versetzung in die Betätigungsrichtung (R) abgleitet und ein Ringspaltes (13) zum Durchströmen mit einem hydraulischen Druckmittel die Mantelfläche (4) radial außen umgibt dadurch gekennzeichnet, dass eine Spaltbreite des Ringspaltes (13) durch die axiale Versetzung des Kolbens (2) wegabhängig veränderbar ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser (D) der Mantelfläche (4) in Betätigungsrichtung (R) zumindest bereichsweise verjüngend ausgebildet ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngender Bereich (5) kegelig mit einem Kegelwinkel (α) ≤ 3° ausgebildet ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausdehnung des sich verjüngenden Bereichs (5) in axiale Richtung wenigstens ein Fünftel der Kolbenhublänge (H) beträgt.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen die gesamte Mantelfläche (4) des Kolbens (2) in Betätigungsrichtung (R) verjüngend ausgebildet ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen die gesamte Mantelfläche (4) des Kolbens (2) kegelig mit einem Kegelwinkel (α)≤3° ausgebildet ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine in Betätigungsrichtung (R) vordere radiale Außenkante (6) des Kolbens (2) verrundet oder Angefast ausgebildet ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) an seinem in Betätigungsrichtung (R) vorderen Kolbenabschnitt wenigstens einen umlaufenden sowie nach innen gerichteten Radialabsatz (7) aufweist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) an seinem in Betätigungsrichtung (R) vorderen Kolbenabschnitt radial außen wenigstens eine axial gerichtete Nut (8) aufweist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) an seinem in Betätigungsrichtung (R) vorderen Kolbenabschnitt wenigstens eine Querbohrung (9) aufweist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) im Wesentlichen aus einem Kunststoffwerkstoff, insbesondere einem Phenolharz oder einem Phenolharz enthaltenden Verbundwerkstoff hergestellt ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) im Wesentlichen aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminiumlegierung besteht.
Hydraulisches Aggregat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) mittels eines werkzeugabbildenden Fertigungsverfahren hergestellt ist.
Hydraulisches Aggregat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat (1) ein Bremsgerät zur Erzeugung von Bremsdruck in einer Kraftfahrzeugbremsanlage vorgesehen ist und einen Hauptkörper (10) aufweist, in dem wenigstens ein Hohlraum (11) angeordnet ist und der Kolben (2) in dem Hohlraum (11) eine mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbare Hydraulikkammer (12) begrenzt, in welche er zur Erzeugung von hydraulischen Druck versetzt wird.