CN101746408A - 用于液压助力转向的调压水箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于液压助力转向的调压水箱，具体涉及一种装在介质回路中的介质箱，该介质箱具有入口(4)和出口。以便即使在省去过滤元件时也能将去除了颗粒的介质从介质箱供应到介质回路，本发明提出，在介质箱内部设置旋转发生元件(6)，从轴向方向上观察，该旋转发生元件(6)从入口(4)沿与此相对的箱末端的方向延伸，且在与入口(4)相对的末端具有封闭元件(7)，该旋转发生元件(6)及封闭元件(7)在所有情况下具有与介质箱内壁(3)分隔开的外圆周，从而为介质形成旋转空间(9)。

Description

用于液压助力转向的调压水箱

技术领域

本发明涉及一种装在介质回路中的介质箱(medium tank)，该介质箱具有入口和出口。

背景技术

此类介质箱公知例如是用于机动车液压助力转向的液压液体储存箱(增压器油箱)的。目前公知的液压助力转向系统用于，例如，客车、运货卡车或者类似的机动车辆中，且具有介质泵，例如液压泵。液压泵产生不依赖于内燃机转速的恒定的液体或者介质流。介质泵连接介质箱的出口。介质泵使得介质被输送，例如，输送到转向装置，介质再从该转向装置输送回介质箱。在此意义上，介质箱也可以被称为调压水箱。典型的增压器油箱主要用于均衡例如由热膨胀、液体中溶入的气体以及很微小程度的系统泄漏所引起的填充高度的波动。

恒定液体流通过内部控制阀(限流阀)来保证，其控制介质从介质箱进入介质环路的流出。然而，这些控制阀对可能存在于介质或液体中的杂质高度敏感。小颗粒，特别是坚硬的氧化物，例如像硅和/或铝氧化物(SiO₂，AlO₂)进入控制阀活塞与其腔之间的缝隙，可能因此毁坏各自的材料或者部件，从而毁坏整个控制阀。限流阀被污垢堵住或阻塞。供给流因此会变得依赖于泵转速，因而导致了不同的功率供给(作为发动机转速的函数)。

当然，甚至介质泵本身也会被颗粒毁坏。由于泵对液体中杂质的高敏感度，特别是对进入到液体或介质流中的颗粒(例如SiO₂，AlO₂)高敏感，因此采用了过滤元件，其设置于连接管线或连接软管中或者介质箱本身中。过滤元件将杂质滤出液体或介质流，因而防止杂质进入例如泵或者控制阀。

此类过滤元件的主要缺陷是其负面影响了介质流或扰乱了通流，因为自由流动的横截面被大大缩小了。而且，过滤元件在一定的运行时间后变得日益堵塞，且因此上述的缺陷进一步加剧，这甚至会导致压力下降。可以看到的进一步缺陷在于过滤元件为高成本密集型的。

美国6,286,545B1号专利公开了一种介质箱，具体说是用于助力转向的转向液的介质箱。该介质箱具有平行设置的入口管路和出口管路，这样使得箱中的液体流转。在这种情况下，液体在环形管道中绕覆盖着筛网过滤器的过滤器承载器流转，这样液体就可以穿过筛网过滤器到达泵出口。为了因此实现有效的冷却，使冷却的液体能够与热的液体相混合，液体将在介质箱中有特别长的停留时间。

美国5,879,545号专利涉及一种旋风过滤器(cyclone filter)，其中，因采用离心力使不期望的固体从液体中分离。旋风过滤器具有垂直朝向的圆柱形管，载有固体的液体切向导入该圆柱形管。液体流经上部封闭元件中的孔进入在另一端锥形扩展的下悬管的锥形缩小区域，并流入下部封闭元件的孔。设置于下悬管里的是中心管，该中心管以其下部孔与锥形扩展的区域隔开。中心管穿透下悬管锥形缩小区域里的上部封闭元件，其与下端相对、并且横向间隔开的上端通过上部封闭元件接合并在此进入过滤室中。过滤元件装在旋风过滤器的内壁上。使液体在锥形扩展区域方向上旋转通过下悬管，以便固体由于离心力朝向下悬管或圆锥形扩展区域的内壁输送。只有无固体的液体将存在于中心管区域并通过中心管被输送入过滤室。固体通过下部孔进入收集区。通过美国5,879,545号专利，一方面，将离心力用于从液体中分离不想要的固体，但同时，过滤元件一方面用作净化过滤器，另一方面，也同时用作旋风过滤器下部区域中的固体收集容器。

发明内容

本发明的目的在于，基于现有技术，通过简单的方式改进上述提及类型的介质箱，从而可以实现无需使用过滤元件将任何固体或不想要的固体从液体中分离出来。

根据本发明，通过具有权利要求1特征的介质箱实现本发明的目的，该介质箱中设置有旋转发生元件，从轴向方向上观察，该旋转发生元件从入口沿与此相对的箱末端的方向延伸，且在与入口相对的末端具有封闭元件，该旋转发生元件和封闭元件在所有情况下具有在所有情况下与介质箱的内壁分隔开的外圆周，从而为介质形成旋转空间。

在一优选的改进中，旋转发生元件固定地设置于介质箱中，这意味着旋转发生元件在介质箱中本身不绕它的中心轴旋转。

优选地，旋转发生元件具有设置在中间元件上的偏转元件(deflectionelements)。当旋转发生元件安装在介质箱内时，中间元件最好与介质箱的中心轴保持一致。偏转元件设计为涡轮叶片的形式，换句话说具有从中间元件到偏转元件的相对端的曲线轮廓。

优选地，偏转元件在与中间元件相对的末端终止，以便与介质箱内壁隔开，从而形成旋转空间，介质在旋转空间中绕中间元件旋转。

在一种优选方案中，旋转发生元件与入口在轴向方向上隔开，但也可以直接装在分配给入口的箱末端上。入口最好设置在底部，以便将旋转发生元件搁置在底部或者使旋转发生元件的底端与底部隔开。

于是，该入口可设置成使其中心轴与旋转发生元件的中心轴保持一致或同它的中心轴横向上偏移。入口最好具有小于中间元件直径的孔内径(clear diameter)，且同时该孔内径可以甚至更大，以便入口在径向方向上观察于中间元件之外。当然，孔内径也可以具有与中间元件直径相同的数值。从而，进入介质箱的介质可以涌入入口经过中间元件。

封闭元件有利地设计成设置在位于旋转发生元件与入口相对的末端的挡板。从径向方向上观察，封闭元件可以具有与偏转元件相同的大小。然而，从径向方向上观察，封闭元件也可以被设计为小于或大于偏转元件。如果封闭元件被设计为从径向方向上观察大于偏转元件，以便封闭元件在内壁方向上突出偏转元件之外，则封闭元件的外圆周的大小最好制成其与介质箱内壁相隔开，以便即使在封闭元件的区域里也保留旋转空间。

介质箱也可以被设计为调压水箱，其可以具有最小和最大介质水平。优选地，旋转发生元件在这种情况下在其轴向范围被设计成即使在介质箱中最小介质水平的情况下也被介质覆盖，换句话说，旋转发生元件或者它的封闭元件被设置在预定最小介质水平(液体水平)的下面。

介质通过入口相对于介质箱的中心轴或者相对于介质箱内的中间元件轴向流入。在此范围，进入的介质具有线性流动。由于旋转发生元件，线性流动转换成涡流。这种情况下，有利地，提供封闭元件，其迫使流入介质流经偏转元件以便产生介质的旋涡或涡旋。线性流动在此范围转变为涡流。介质的旋涡或旋转作用于其中携带的颗粒或固体上，颗粒或固体从而被输送到介质箱的内壁。在介质箱的内壁，介质的旋转速度非常低，以致颗粒因重力而降落。

通常，由于重力，颗粒在这种情况下落入介质箱的底部，因此，在底部，最好是介质箱的边缘区域，换句话说在它的内壁区域中，优选地提供凹槽、即收集凹穴，落下的颗粒达到其中或者在其中被接收和收集。在一较佳的方案中，凹槽具有隔板并形成“死水区”，也就是其中没有流动的水流、或者至少流速太低以至于颗粒保持在凹槽或收集凹穴中的区域。在此意义下，凹槽防止已分离或者沉降的颗粒再次进到介质回路。然而，当然也可以是在介质箱底部或者底部的边缘区域设置无隔板的单一圆周连续的凹槽，目的是从而形成圆周连续的收集凹穴，也就是“死水区”。

优选地，出口设置成使它的口处在旋转空间内，其中无颗粒的介质可以被吸走。在一优选的改进中，出口设置在与入口相同的箱体末端，换句话说，最好也在底部上。在此意义下，轴向流入的介质进入介质箱，且轴向流出的介质从后者吸(泵)出，因为至少两者(入口、出口)的最终中心轴最好可以设置成相互平行。

因为介质中的颗粒或者固体由于介质的旋转而被输送到介质箱内壁，并由于重力原因降落在那里，且因为旋转空间因而是无颗粒的，所以可以省去用于截取颗粒的过滤元件。在此意义下，通过出口到介质泵的通路不会被破坏，且可以保证颗粒或干扰固体不能返回进入介质回路，因为他们被可靠地收集在介质箱底部上的收集凹穴中。与嵌入介质箱中的过滤元件相比，根据本发明的介质箱对于介质回路的效率没有不利的影响，且可以实质上成本效率更高地实现，因为可以省去过滤元件。在低和/或非常低的外界温度(无噪声，低油沫)的情况下是有利的。因为过滤元件的舍弃，也不会变得阻塞，且因此预期对于介质回路效率也没有不利影响。当然，在介质箱优选一定时间后，凹槽也会被填满，以致清洁变得必要。然而，在这种情况下凹槽或收集凹穴的大小可以有利地制成，与过滤元件相比，清洁周期可以显著地延长。当然，最好是，在本发明的范围内将凹槽设计成或大小制成在车辆的整个使用寿命里他们无需清洁。然而，根据本发明的介质箱仅在适当情况下需要被清洁，换句话说，收集凹穴需要被清空，而阻塞的过滤器元件通常必须替换一个新的，以便可以再次实现未被过滤元件削弱的介质回路的原始效率。

在较佳的方案中，中间元件在其朝向入口的末端封闭，以便介质流经中间元件外部。在这种情况下，中间元件可被设计为实心体或空心体。然而，也可构想这样的的方案：其中中间元件在其朝向入口的末端开放，中间元件设计为其与入口相对的末端可以封闭的管。封闭元件在此处可具有管的直径，或者如前所述，被设计为从径向方向上观察尺寸等于或大于偏转元件的径向大小。在这种情况下，中间元件或管可以在其壁上具有流出孔，进入中间元件的介质能够通过流出孔涌出，且可以从而直接冲击到偏转元件上。因此，可以实现与前述相同的效果，确切地说，使线性流动转换为涡流。当然，孔的大小应制成它们不会被颗粒或固体堵塞。然而，优选地，进入的全部介质流应该进入中间元件，且介质流可以然后通过流出孔涌出，在垂直的方向和/或在径向方向分开，并且冲击到偏转元件上，以便从而实现介质的旋转运动。

附图说明

本发明的进一步有利的优选实施例将在从属权利要求及下述对附图的说明中公开，附图中：

图1表示根据本发明的旋转发生元件的俯视图的局部，

图2A和图2B表示作用于颗粒的力的图解，以及

图3表示在根据本发明的介质箱中归因于偏转元件的介质速度分布图。

具体实施方式

图1表示介质箱的俯视图的局部，其以通过其壁1的横截面表示。该壁具有外侧2和内侧3。内侧3以下被称为为内壁3。在图示的示例性实施例中，介质箱的壁1设计成圆形。

介质箱进一步具有未图示出的底部，以及同样未图示出的与后者相对的顶部区域。

入口4被设置于底部。出口未表示。

设置于介质箱中的是旋转发生元件6，从轴向方向观察，其从入口4沿位于与后者相对的箱末端的方向延伸，换句话说，从底部区域沿顶部区域的方向延伸。旋转发生元件6在其与入口4相对的末端具有封闭元件7，其借助于圆形线8表示为假想线。旋转发生元件6和封闭元件7在所有情况下具有在所有情况下与介质箱的内壁3分隔开的外圆周，从而为介质形成旋转空间9。

从径向方向上观察，旋转空间9设置于圆形线8和内壁3之间。

旋转发生元件6固定地设置于介质箱中，这意味着旋转发生元件6在介质箱中本身不绕它的中心轴旋转。

优选地，旋转发生元件6具有设置在中间元件12上的偏转元件11。中间元件12的中心轴最好与介质箱的中心轴保持一致。偏转元件11设计为涡轮叶片的形式，换句话说具有从中间元件12到偏转元件11的相对端13曲线轮廓。

优选地，偏转元件11在与中间元件12相对的末端13终止，以便与介质箱的内壁3分隔开，从而形成旋转空间9，介质在旋转空间9中绕旋转发生元件6旋转。

旋转发生元件6例如与入口4在轴向方向上分隔开。入口4例如设置在底部。

在图示的示例性实施例中，入口4的中心轴与旋转发生元件6的中心轴一致。在优选示例性实施例中，入口4具有小于中间元件12的直径的孔内径。该入口4的孔内径当然也可以设计得更大，以便入口4在径向方向上观察突出中间元件12外，在此情况下，也可以提供具有相同大小孔内径的入口4。因此，进入介质箱的介质能够涌入入口4经过中间元件12。

封闭元件7被设计成设置于位于旋转发生元件6与入口4相对的末端的挡板。从径向方向上观察，封闭元件7例如具有与偏转元件11相同的大小。

介质箱被设计成作为液压回路的调压水箱。入口4例如连接到转向装置。出口连接到介质泵。介质泵使得介质从介质箱流出输送到转向装置，然后再从该处返回介质箱。

旋转发生元件6及其封闭元件7从底部沿着顶部区域方向延伸，但终止于水箱内部的预定最小介质水平，换句话说始终被设置在介质箱中液体水平的下方。

介质或液体线性地流过入口4进入介质箱并经过中间元件12。通过设置在液面下的封闭元件7，介质被迫流经偏转元件11，从而使线性流动转化为涡流。颗粒或固体通过介质输送，然后被输送到内壁3。

图3表示了介质速度分布图，其由偏转元件11引起。可以看到，这样一种低速流动在内壁3进行，其使颗粒或固体可以降落。

凹槽14或收集凹穴14因此优选地设置在介质箱中的内壁3区域的底部，降落的机械杂质粗粒或重的固体将在那沉积。凹槽14或收集凹穴例如具有隔板16。

下列公式旨在描述介质中机械杂质粗粒或颗粒的行为，公式符号示于图1至3。

机械杂质粗粒或颗粒的总速度为：

$v_{\mathrm{res}}=\sqrt{{v^2}_h+{v^2}_r}$

颗粒径向速度如下计算：

$v_r=a*t=\sqrt{2*a*r}=v_{\mathrm{ra}}+a*t$

$v_r=\sqrt{{v^2}_{\mathrm{ra}}+2*a*r}$

a＝F/m

$v_r=\sqrt{{v^2}_{\mathrm{ra}}+2r*F_{\mathrm{Zres}}/m_c}$

颗粒的垂直速度如下计算：

$v_h=\mathrm{ve}*\sqrt{1-e\↑2\mathrm{gh}/{\mathrm{ve}}^2}$

$v_e=\sqrt{2*F_G(1-{\mathrm{\ρ}}_F/{\mathrm{\ρ}}_C)}/c_{\mathrm{\ω}}*{\mathrm{\ρ}}_F*A_{\mathrm{st}}$

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{const}.$

v_aa＝tanβ*v_ra

v_ri＝f/A_i

A_i＝b*h

h＝偏转元件的高度(长度)

关于图2A和图2B，离心力合力

F_Zres＝F_ZC+F_ZF

F_Zres＝v² _a/r(m_C-m_F)

F_Zres＝v² _a/r(v_c/ρ_C-v_F/ρ_F

F_Zres＝v2_av_C(1/ρ_C-1/ρ_F)

及

F_Z＝m*v² _a/r

F_ZC＝m_c*v² _a

F_ZF＝m_F*v² _a

m_c＝v_c/ρ_c

m_F＝v_F/ρ_F

v_c＝v_F

假设为球形颗粒时，重力计算为：

F_Gres＝m_c*a

a＝g*(1-ρ_F/ρ_C-F_RV/F_G)

F_Gres＝m_c*g(1-ρ_F/ρ_C-F_RV/F_G)

及

F_G＝m*g

F_RV＝c_ω/ρ_C/2*v² _h*A_st

A_st＝D² _C*π/4

c_ωKugel≈0,4

所以

F_Gres＝m_c*g(1-ρ_F/ρ_C-c_ω*ρ_C*v² _h*A_st/2*m*g

F_Gres＝m_c*g(1-ρ_F/ρ_C-c_ω*ρ_C*v² _h*D² _C*π/8*m*g

阻力计算为：

F_RH＝c_ω*ρ/2*v² _r*A_st

F_RV＝c_ω*ρ/2*v² _h*A_st

在这种情况下发现，当机械杂质粗粒或者颗粒的密度ρ_C高于介质密度ρ_F时，作用于颗粒的离心力F_ZC高于作用于介质离心力F_ZF。作为这种力不平衡的结果，颗粒相比较周围的介质向外输送更大的范围。

ρ_C＞ρ_F＝＞F_ZC＞F_ZF

在此意义上，当当作用于颗粒的离心力F_ZC等于作用于介质的离心力F_ZF，且当机械杂质粗粒颗粒的密度ρ_C或大于介质密度ρ_F时，颗粒将始终沉降、换句话说降落在内壁附近。

这是没有或者仅有非常低流速的区域的情况，由于离心力是速度的函数：

F_ZC＝F_ZF及

ρ_C＞ρ_F燃后

F_ZC＝F_ZF当v＝0时，由于

F_ZX＝f(vx)。

由此得出，密度比介质密度高(ρ_C＞ρ_F)的颗粒聚集到没有速度或者是非常低流速的区域。这就是例如当r＝R(见图3)的情况。由于介质或液体中的高剪力，内壁3的区域中的速度等于0(见图3)。此外，底部凹槽产生了“死水区”，在该区中实际上不存在流速且沉降颗粒因此不返回流路。

在一优选实施例中，介质箱被设计成作为调压水箱或者增压器油箱并主要用于均衡填充高度的波动。

Claims (13)

1.一种装到介质回路中的介质箱，该介质箱具有入口(4)和出口，其中，

介质箱内部设置有旋转发生元件(6)，从轴向方向上观察，该旋转发生元件(6)从入口(4)沿与此相对的箱末端的方向延伸，且在与入口(4)相对的末端具有封闭元件(7)，该旋转发生元件(6)及封闭元件(7)在所有情况下具有与介质箱内壁(3)分隔开的外圆周，从而为介质形成旋转空间(9)。

2.根据权利要求1所述的介质箱，其特征在于，所述旋转发生元件(6)固定地设置于介质箱中。

3.根据权利要求1或2所述的介质箱，其特征在于，所述旋转发生元件(6)具有设置于中间元件(12)上的偏转元件(11)。

4.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，所述旋转发生元件(6)被设计为有具有曲线轮廓的偏转元件(11)。

5.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，旋转发生元件(6)与入口(4)在轴向方向上分隔开。

6.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，所述入口(4)设置成其中心轴与旋转发生元件(6)的中心轴一致。

7.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，所述入口(4)具有小于旋转发生元件(6)的中间元件(12)直径的孔内径。

8.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，所述封闭元件(7)设计成挡板。

9.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，所述旋转发生元件(6)在其轴向方向上设计为使其设置在介质箱中预期最小介质水平以下。

10.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，具有底部凹槽(14)。

11.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，出口设置成使其口处在旋转空间(9)的区域内。

12.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，具有用于接收沉降固体的凹槽(14)，所述凹槽(14)设置在内壁(3)的区域中。

13.根据上述任一权利要求所述的介质箱，其特征在于，具有形成死水区的凹槽(14)。

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