Kolbenspeicher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenspeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenspeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 1 und ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.

Stand der Technik

In Kraftfahrzeugen werden hydraulische Hybridsysteme eingesetzt, um mittels eines hydraulischen Motors hydraulische Energie in mechanische Energie umwandeln zu können und mittels einer hydraulischen Pumpe mechanische Energie in hydraulische Energie umwandeln zu können. Die mechanische Energie, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor oder als kinetische Energie in einem Rekuperationsbetrieb, kann dabei von der hydraulischen Pumpe in hydraulische Energie umgewandelt werden, indem der Druck eines Hydraulikfluides, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, durch die hydraulische Pumpe erhöht wird. Das Hydraulikfluid mit dem erhöhten Druck kann dabei in einem hydropneumatischen Speicher gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt kann mittels des Hydraulikfluides in dem hydropneumatischen Speicher von dem hydraulischen Motor die hydraulische Energie in dem

hydropneumatischen Speicher in mechanische Energie zum Antrieb des

Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Die Hydraulikflüssigkeit dient zur

Druckübertragung zu dem zu komprimierenden Gas in dem hydropneumatischen Speicher.

Als hydropneumatische Speicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, d. h. eines Hydraulikfluides unter einem erhöhten Druck, sind beispielsweise Kolbenspeicher bzw. Gasfederspeicher mit einem Kolben bekannt. Innerhalb eines Gehäuses ist ein Kolben an einem Zylinder angeordnet und ein Kolben wird von der Hydraulikflüssigkeit bewegt, so dass dadurch der Druck in dem Gas erhöht wird und hydraulische Energie in dem Kolbenspeicher gespeichert werden kann. Der Kolben ist an einer inneren Lagerfläche des Zylinders beweglich gelagert, so dass durch ein Einleiten von Hydraulikflüssigkeit in einen

Hydraulikraum das Gas in einem Gasraum komprimiert, d. h. im Volumen verkleinert wird und bei einem Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikraum das Gas in dem Gasraum expandiert wird, d. h. im Volumen vergrößert wird. Der Zylinder weist eine innere Lagerfläche aus Metall, insbesondere Stahl, auf, so dass dadurch der Kolbenspeicher in der Herstellung teuer ist, weil für die innere Lagerfläche aus Stahl eine aufwendige Bearbeitung, z. B. mit Honen, erforderlich ist und außerdem weist der Kolbenspeicher aufgrund der Verwendung von Metall an dem Zylinder eine große Masse auf, so dass der Kolbenspeicher für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen nur bedingt geeignet ist.

Aus der EP 2 058 527 A2 ist ein Kolbenspeicher mit einem Zylinder und einem Kolben bekannt. Der Zylinder besteht aus innenseitig aus einem Liner aus Stahl und außenseitig aus einem Verbundwerkstoff.

Die US 4 714 094 zeigt einen Gas-Öl-Kolbenspeicher mit einem Zylinder und einem Kolben. Der Zylinder besteht aus einem Stahlkern und einer Umhüllung aus einem Verbundwerkstoff.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäßer hydropneumatischer Kolbenspeicher zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, umfassend einen Gasraum zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases in dem Gasraum, einen

Hydraulikraum zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit, einen beweglichen Kolben zur Komprimierung und Expansion des Gases in dem Gasraum, einen Zylinder mit einer inneren Lagerfläche an dem der Kolben gelagert ist, wobei die innere Lagerfläche wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, von Kunststoff und/oder von Keramik und/oder von einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff und/oder faserverstärkten Keramik, begrenzt ist. Die innere Lagerfläche ist begrenzt wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, von Kunststoff und/oder von einem faserverstärkten

Verbundwerkstoff. In vorteilhafter Weise ist die innere Lagerfläche damit begrenzt von einem nicht-metallischen Werkstoff, insbesondere Kunststoff oder faserverstärkter Kunststoff. Dadurch kann die innere Lagerfläche besonders einfach und preiswert hergestellt werden und darüber hinaus ist keine spanabhebende Bearbeitung der inneren Lagerfläche aus Metall erforderlich.

Außerdem weist dadurch der hydropneumatische Kolbenspeicher eine geringere Masse auf, weil das Material an der inneren Lagefläche bzw. eine Lagerschicht, welche die innere Lagerfläche bildet, aus einem leichten Werkstoff besteht.

Insbesondere besteht der Zylinder mit der inneren Lagerfläche, insbesondere in einem mittigen axialen Abschnitt bezüglich einer Längsachse des Zylinders, vollständig aus Kunststoff und/oder aus Keramik und/oder aus faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff und/oder faserverstärkten Keramik. Bei einer vollständigen Ausbildung des Zylinders aus dem nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere dem faserverstärkten

Verbundwerkstoff, kann der Zylinder mit einer besonders geringen Masse hergestellt werden. Dabei wird der Zylinder aus dem faserverstärkten

Verbundwerkstoff auch vollständig als aus dem faserverstärkten

Verbundwerkstoff bestehend betrachtet, sofern der Zylinder an einer (dünnen) Lagerschicht ausschließlich aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht, vorzugsweise aus einer Matrix, z. B. der Matrix des faserverstärkten

Verbundwerkstoffs, zum Beispiel Kunststoff ohne Fasern besteht, und in radialer Richtung außerhalb der Lagerschicht in einer dicken tragenden Schicht aus dem Außenzylinder und, vorzugsweise aus dem Innenzylinder, aus dem

faserverstärkten Verbundwerkstoff mit Fasern besteht.

In eine weiteren Ausgestaltung ist der faserverstärkte Verbundwerkstoff ein glasfaserverstärkter und/oder kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoff und/oder der Zylinder ist aus einem Innenzylinder mit der inneren Lagerfläche und einem Außenzylinder mit einer Außenseite aufgebaut und vorzugsweise ist an dem Innenzylinder eine Lagerschicht für den Kolben aus einem Werkstoff ohne Fasern ausgebildet. Bei einem zweiteiligen Aufbau des Zylinders aus dem Innenzylinder mit der inneren Lagerfläche und dem Außenzylinder mit einer Außenseite kann der Innenzylinder und der Außenzylinder beispielsweise mit einer unterschiedlichen Wicklung von Fasern versehen sein und dadurch besonders gut an die Erfordernisse des Kolbenspeichers angepasst sein. Der zweiteilige Aufbau mit dem Innenzylinder und dem Außenzylinder ist

insbesondere für einen Kolbenspeicher als Hochdruckspeicher für

Betriebsdrücke bis 300 bar oder 400 bar vorteilhaft, weil hier dadurch

resultierend von dem Zylinder aus dem Innenzylinder und dem Außenzylinder radiale und axiale Kräfte besonders gut aufgenommen werden können in der erforderlichen Größe. Der Innenzylinder kann auch vollständig aus der

Lagerschicht bestehen, z. B. aus thermoplastischem Kunststoff ohne Fasern.

In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Matrix des faserverstärkten Verbundwerkstoffes Kunststoff, insbesondere ein Duromer, z. B. Epoxidharz, oder ein Thermoplast oder Keramik und/oder der Innenzylinder und der

Außenzylinder besteht wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff und/oder aus Keramik und/oder aus einem faserverstärkten

Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff und/oder faserverstärkten Keramik.

Vorzugsweise ist der Werkstoff der Matrix des faserverstärkten

Verbundwerkstoffes des Zylinders, insbesondere des Innenzylinders, identisch mit dem Werkstoff an der inneren Lagerfläche, insbesondere ist die innere Lagerfläche des Innenzylinders von einer Lagerschicht, vorzugsweise ausschließlich, aus der Matrix des faserverstärkten Verbundwerkstoffes gebildet und der Innenzylinder besteht radial außerhalb der Lagerschicht wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff und/oder faserverstärkten Keramik. Die Lagerschicht dient als innere Lagefläche für den Zylinder und weist keine Fasern auf, so dass dadurch die innere Lagerfläche eine besonders glatte Oberfläche aufweist für die Lagerung des Kolbens. Zweckmäßig weist dabei der Werkstoff der Lagerschicht Füllstoffe zur Erhöhung der Verschleißfähigkeit der inneren Lagerfläche auf und vorzugsweise auch Nanopartikel. Dadurch kann die innere Lagerfläche den erforderlichen Reibungs- und Verschleißwiderstand des beweglich an der inneren Lagerfläche gelagerten Kolbens dauerhaft Stand halten. Radial außerhalb der Lagerschicht ist ein faserverstärkter

Verbundwerkstoff an dem Innenzylinder vorhanden, um die an dem Innenzylinder auftretenden umlaufenden und axialen Kräfte aufnehmen zu können. In einer Variante ist der Kolbenspeicher mit einem in dieser

Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt und/oder der Kolben ist beweglich an der inneren Lagerfläche des Zylinder gelagert und/oder der bewegliche Kolben dichtet den Gasraum fluiddicht von dem Hydraulikraum ab und/oder der Kolbenspeicher ist ein Hochdruckspeicher für einen

Betriebsdruck bis maximal 300 bar oder 400 bar.

Zweckmäßig ist der Zylinder mit einem ersten Deckel, insbesondere für den Gasraum, und/oder mit einem zweiten Deckel, insbesondere für den

Hydraulikraum, an axialen Endabschnitten des Zylinders fluiddicht verschlossen und/oder der mittige axiale Abschnitt umfasst zwischen 10% und 80%, vorzugsweise zwischen 20% und 50%, der axialen Gesamtausdehnung des Zylinders.

In einer weiteren Ausführungsform besteht der erste und/oder zweite Deckel wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder

Aluminium, und/oder aus Kunststoff und/oder aus Keramik und/oder aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff und/oder faserverstärkten Keramik, und/oder der Kolbenspeicher umfasst einen ersten und/oder zweiten Außendeckel und der erste und/oder zweite

Außendeckel liegt außenseitig auf dem ersten und/oder zweiten Deckel auf.

Insbesondere weist der erste Deckel eine Gasöffnung zum Ein- und Ausleiten von Gas und der zweite Deckel eine Hydrauliköffnung zum Ein- und Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit auf und die Gas- und Hydrauliköffnungen sind von je einem Metallringteil begrenzt, welcher an dem übrigen Deckel aus Kunststoff oder faserverstärkten Verbundwerkstoff befestigt ist und/oder der erste und/oder zweite Außendeckel ist einteilig mit dem Außenzylinder ausgebildet und/oder der erste und/oder zweite Deckel ist ein gesonderte Bauteil in Ergänzung zu dem Innenzylinder. Der erste und/oder zweite Außendeckel ist einteilig mit dem Außenzylinder ausgebildet und dadurch kann der erste und/oder zweite

Außendeckel aufgrund der Ausbildung des ersten und/oder zweiten Außendeckels sowie des Außenzylinders aus einem faserverstärkten

Verbundwerkstoff die auf den erste und/oder zweite Deckel die wirkenden Druckkräfte aufgrund des Gases und der Hydraulikflüssigkeit aufnehmen.

Darüber hinaus werden die auf den ersten und/oder zweiten Deckel wirkenden axialen Kräfte in Richtung einer Längsachse des Kolbenspeichers bzw. des

Zylinders von dem ersten und/oder zweiten Deckel auf den ersten und/oder zweiten Außendeckel übertragen, da der erste und/oder zweite Außendeckel außenseitig auf dem ersten und/oder zweiten Deckel aufliegt. Diese axialen Kräfte werden von dem ersten und/oder zweiten Außendeckel aufgenommen und können aufgrund der einteiligen Ausbildung mit dem Außenzylinder von dem

Außenzylinder als Zugkräfte aufgenommen werden. Die Beanspruchung des ersten und/oder zweiten Deckels als einen inneren Deckel ist dadurch gering, da die auftretenden Kräfte, insbesondere Zugkräfte, im Wesentlichen von dem ersten und/oder zweiten Außendeckel aufgenommen und zu dem Außenzylinder geleitet werden aufgrund der einteiligen Ausbildung des ersten und/oder zweiten

Außendeckels und des Außenzylinders aus dem faserverstärkten

Verbundwerkstoff.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der erste und/oder zweite Deckel mit einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere Klebeverbindung, an dem

Innenzylinder befestigt und/oder der erste und/oder zweite Deckel ist mit einer form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung an dem ersten und/oder zweiten Außendeckel befestigt und/oder der erste und/oder zweite Deckel weist einen Wandungsabschnitt parallel zu der Längsachse des Zylinders auf und an dem Wandungsabschnitt liegt parallel zu der Längsachse des Zylinders, insbesondere außenseitig, der Innenzylinder überlappend auf dem ersten und/oder zweiten Deckel auf. Der erste und/oder zweite Deckel ist mit einer form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit dem ersten und/oder zweiten Außendeckel befestigt. Bei der Herstellung des ersten und/oder zweiten Außendeckels aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoffes mittels eines Trocken- oder

Nasswickelverfahrens gelangt die Matrix in Kontakt zu der Außenseite des ersten und/oder zweiten Deckels, so dass dadurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Matrix des faserverstärkten Verbundwerkstoffes des ersten und/oder zweiten Außendeckels mit der Außenseite des ersten und/oder zweiten Deckels hergestellt ist bzw. hergestellt wird. Darüber hinaus entspricht die

Außenform des ersten und/oder zweiten Deckels der Innenform des ersten und/oder zweiten Außendeckels aufgrund der Herstellung des ersten und/oder zweiten Außendeckels mittels des Trocken- oder Nasswickelverfahrens auf dem ersten und/oder zweiten Deckel, so dass dadurch zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und/oder zweiten Deckel und dem ersten und/oder zweiten Außendeckel besteht und diese formschlüssige Verbindung insbesondere nach außen gerichtete Druckkräfte auf den ersten und/oder zweiten Außendeckel überträgt.

Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines hydropneumatischen Kolbenspeichers zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines

Gases, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Kolbenspeichers, mit den Schritten: zur Verfügung stellen eines ersten und/oder zweiten Deckels, zur Verfügung stellen eines Zylinders, zur Verfügung stellen eines Kolbens, Montieren des ersten und/oder zweiten Deckels, des Zylinders und des Kolbens zu dem Kolbenspeicher, wobei zuerst ein Innenzylinder wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff und/oder aus Keramik und/oder aus faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff oder faserverstärkten Keramik, hergestellt wird und anschließend, insbesondere außenseitig auf dem Innenzylinder, ein

Außenzylinder aus Kunststoff und/oder aus Keramik und/oder aus

faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff oder faserverstärkten Keramik, hergestellt wird. Der Außenzylinder kann nach dem Herstellen auf den Innenzylinder aufgeschoben werden, sofern er nicht auf dem auf dem Innenzylinder hergestellt wird.

In einer ergänzenden Variante wird der Innenzylinder hergestellt, indem ein Wickeldorn mit einer Matrix beschichtet wird, z. B. mit Sprühen oder mit

Aufbürsten, so dass dadurch eine Lagerschicht hergestellt wird und

anschließend, vorzugsweise nach einem wenigstens teilweisen Erhärten der Lagerschicht, Fasern auf die Lagerschicht mit einem Trocken- oder

Nasswickelverfahren aufgewickelt werden oder der Innenzylinder wird aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff, mit Spritzgießen oder Extrudieren hergestellt. Die Lagerschicht besteht aus der Matrix des Verbundwerkstoffes des Innenzylinders oder aus einem anderen Werkstoff, vorzugsweise ohne Fasern, um eine glatte Lagerfläche zu erhalten. In einer zusätzlichen Ausführungsform wird der Innenzylinder und/oder

Außenzylinder mit einem Trockenwickelverfahren gewickelt und anschließend die Matrix injiziert, z. B. mit einem RTM-Verfahren.

In einer weiteren Variante wird der Innenzylinder hergestellt, indem ein

Wickeldorn mit einer Matrix beschichtet wird, z. B. mit Sprühen oder mit

Aufbürsten, so dass dadurch eine Lagerschicht hergestellt wird und

anschließend, vorzugsweise nach einem wenigstens teilweisen Erhärten der Lagerschicht, Fasern auf die Lagerschicht mit einem Trocken- oder

Nasswickelverfahren aufgewickelt werden oder der Innenzylinder wird aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff, mit Spritzgießen oder Extrudieren hergestellt.

In einer weiteren Variante wird nach dem Herstellen des Innenzylinders der Kolben in den Innenzylinder eingeführt und der Innenzylinder wird mit einem ersten und/oder zweiten Deckel verschlossen und anschließend wird auf dem Innenzylinder und auf dem ersten und/oder zweiten Deckel außenseitig der Außenzylinder und ein erster und/oder zweiter Außendeckel aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, z. B. faserverstärkten Kunststoff, hergestellt, insbesondere mit einem Trocken- oder Nasswickelverfahren. Der Außenzylinder und der erste und/oder zweite Außendeckel werden einteilig in einem

Herstellungsschritt aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt.

Dadurch können auftretende axiale Kräfte an dem ersten und zweiten

Außendeckel besonders einfach von dem ersten und zweiten Außendeckel auf den Außenzylinder übertragen werden, so dass die axialen Zugkräfte an dem Zylinder im Wesentlichen von dem Außenzylinder aufgenommen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung wird nach dem Herstellen des Innenzylinders, insbesondere nach dem Herausziehen des Wickeldorns aus dem Innenzylinder, keine Bearbeitung, insbesondere keine spanabhebende Bearbeitung der inneren Lagerfläche ausgeführt, vorzugsweise vor dem Einführen des Kolbens in den Innenzylinder und/oder die Fasern des Innenzylinders werden umlaufend mit einem Wnkel von im Wesentlichen 90° gewickelt und vorzugsweise werden anschließend die Fasern des Innenzylinders axial mit einem Wnkel zwischen 85° und 30°, vorzugsweise zwischen 75° und 40° gewickelt und/oder die Fasern des Außenzylinders, insbesondere ausschließlich, axial mit einem Wnkel zwischen 85° und 30°, vorzugsweise zwischen 75° und 40° gewickelt werden. Die Fasern des Innenzylinders werden umlaufend mit einem Winkel im Wesentlichen 90°, d. h. mit einem Winkel zwischen 90° und 85°, gewickelt. Die umlaufende

Wicklung der Fasern an dem Innenzylinder ist erforderlich, um die auftretenden umlaufenden Kräfte an dem Innenzylinder aufgrund der radialen Kräfte an der inneren Lagerfläche aufgrund des Druckes des Gases und der

Hydraulikflüssigkeit aufnehmen zu können. Eine axiale Wcklung von Fasern an dem Innenzylinder ist vorzugsweise erforderlich, damit der Innenzylinder in einem geringeren Umfang auch axiale Zugkräfte aufnehmen kann. Die Fasern des Außenzylinders sind vorzugsweise ausschließlich axial gewickelt, damit der

Außenzylinder die an dem Zylinder auftretenden Zugkräfte im Wesentlichen aufnehmen kann, da die axialen Kräfte von dem ersten und/oder zweiten Deckel auf den ersten und/oder zweiten Außendeckel übertragen werden und als Kraftkomponenten in einer axialen Richtung von dem Außenzylinder als

Zugkräfte aufgenommen werden. Bei einem Einsatz des Kolbenspeichers als

Hochdruckspeicher werden insbesondere Kohlenstofffaser verstärkte

Verbundwerkstoffe eingesetzt, d. h. Fasern aus Karbon. Bei niedrigeren Drücken, insbesondere an dem Innenzylinder, können auch mit Glasfaser verstärkte Verbundwerkstoffe, d. h. Fasern aus Glasfaser, eingesetzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist an dem ersten und/oder zweiten Deckel eine Nut, insbesondere eine Ringnut, ausgebildet und innerhalb der Nut ist eine Dichtung, insbesondere eine ringförmige Dichtung, angeordnet zur Abdichtung des ersten und/oder zweiten Deckels bezüglich des Innenzylinders und vorzugsweise liegt die Dichtung an dem Innenzylinder auf.

In einer weiteren Ausgestaltung ist erste und/oder zweite Deckel mit dem

Innenzylinder vollständig umlaufend verschweißt zur Abdichtung des ersten und/oder zweiten Deckels bezüglich des Innenzylinders.

Zweckmäßig wird der erste und/oder zweite Deckel mit dem Innenzylinder verschweißt, insbesondere mit Laserschweißen, zur Abdichtung des ersten und/oder zweiten Deckels bezüglich des Innenzylinders. In einer Variante ist mittels einer Bewegung, insbesondere

Translationsbewegung, des Kolbens das Volumen des Gasraumes veränderbar. Zweckmäßig ist der Zylinder und der Kolben im Querschnitt kreisförmig oder rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet. In einer ergänzenden Ausgestaltung weist der Zylinder einen konstanten

Durchmesser oder Radius auf.

In einer weiteren Variante ist der erste und/oder zweite Deckel als ein

Klöpperboden oder als ein Korbbogenboden ausgebildet.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Gasraum und der Hydraulikraum von dem Zylinder, insbesondere Innenzylinder, begrenzt.

In einer weiteren Ausgestaltung wird bei einem Bauteil des Kolbenspeichers nur diejenige axiale Ausdehnung des Bauteils als ein Zylinder betrachtet, bei dem in axialer Richtung des Zylinders der bewegliche Kolben an der inneren Lagerfläche des Zylinders gelagert ist.

Erfindungsgemäßes hydraulisches Hybridsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung mechanischer Energie in hydraulische Energie, wenigstens einen

Kolbenspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei der

Kolbenspeicher als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener

Kolbenspeicher ausgebildet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Kolbenspeichers in einem ersten

Ausführungsbeispiel, Fig. 2 einen Längsschnitt des Kolbenspeichers in einem zweiten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Teillängsschnitt des Kolbenspeichers gemäß Fig. 1 im Bereich eines ersten Deckels und

Fig. 4 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems.

Ausführungsformen der Erfindung

Ein in Fig. 1 dargestellter Kolbenspeicher 1 wird dazu verwendet, um in einem hydraulischen Hybridsystem 20 (Fig. 4) in einem nicht dargestellten

Kraftfahrzeug hydraulische Energie von einer hydraulischen Pumpe 24 zu speichern und anschließend zu einem späteren Zeitpunkt die gespeicherte hydraulische Energie in einem hydraulischen Motor 23 in mechanische Energie umzuwandeln und dadurch das nicht dargestellte Kraftfahrzeug anzutreiben.

Ein in Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellter Kolbenspeicher 1 umfasst einen Zylinder 5, einen Kolben 6 sowie einen ersten Deckel 8 und einen zweiten Deckel 9. Der Zylinder 5 ist in einem Querschnitt, das heißt in einem Schnitt senkrecht zu einer Längsachse 34 des Zylinders 5 bzw. einer

Bewegungsachse 34 des Kolbens 6 kreisförmig ausgebildet und umfasst einen Innenzylinder 40 und einen Außenzylinder 41. Der Kolben 6 weist außenseitig in einer Ringnut einen Führungsring 14 sowie in zwei zusätzlichen Ringnuten jeweils einen Dichtring 19 auf. Die Außenseite des Kolbens 6 liegt auf einer inneren Lagerfläche 4 des Zylinders 5 auf, sodass dadurch der Kolben 6 an der inneren Lagerfläche 4 des Zylinders 5 beweglich gelagert ist. Der erste Deckel 8 weist eine Gasöffnung 10 auf zum Einleiten und Befüllen eines Gases in einen Gasraum 3 und der zweite Deckel 9 weist eine Hydrauliköffnung 11 zum Ein- und

Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit in und aus einem Hydraulikraum 2 auf. Der Hydraulikraum 2 und der Gasraum 3 sind von dem Zylinder 5, das heißt der inneren Lagerfläche 4 des Zylinders 5, begrenzt. Der bewegliche Kolben 6 dichtet dabei fluiddicht den Hydraulikraum 2 von dem Gasraum 3 ab. In der Gasöffnung 10 ist ein Gasventil 17 zum Befüllen des Gasraumes 3 mit Gas fluiddicht befestigt und in der Hydrauliköffnung 11 ist ein Hydraulikventil 18 angeordnet zum Ein- und Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit in und aus dem Hydraulikraum 2. Die Geometrie des zweiten Deckels 9 ist dabei innenseitig teilweise komplementär zu einem linken Endbereich des Kolbens 6 ausgebildet, sodass dieser innere Bereich des zweiten Deckels 9 einen Anschlag 13 für den Kolben 6 bildet.

Der erste Deckel 8 weist einen Wandungsabschnitt 33 auf (Fig. 3), welcher parallel zu einer Längsachse 34 des Zylinders 5 ausgerichtet ist. An diesem Wandungsabschnitt 33 des ersten Deckels 8 liegt außenseitig der Zylinder 5, d. h. der Innenzylinder 40, auf. Dabei ist der axiale Endabschnitt 36 des Zylinders 5, d. h. des Innenzylinders 40, mittels einer Klebeverbindung 32 als einer stoffschlüssigen Verbindung 31 mit dem ersten Deckel 8 verbunden. Der axiale Endabschnitt 36 des Zylinders 5 bzw. Innenzylinders 40 liegt auf einem

Überlappungsbereich 35 zwischen dem Zylinder 5 und dem Wandungsabschnitt 33 des ersten Deckels 8 auf dem ersten Deckel 8 auf. Bei einer Druckbelastung des Kolbenspeichers 1 aufgrund des Gases in dem Gasraum 3 wird der

Wandungsabschnitt 33 des ersten Deckels 8 in radialer Ausrichtung von der von dem Gas in dem Gasraum 3 auf den Wandungsabschnitt 33 aufgebrachten Druckkräfte radial nach außen gedrückt und diese Verformung wird dabei von dem Zylinder 5 aufgrund des Überlappungsbereichs 35 aufgenommen, sodass dadurch zusätzliche radiale Druckkräfte zwischen dem axialen Endabschnitt 36 des Zylinders 5 und dem Wandungsabschnitt 33 des ersten Deckels 8 an dem Überlappungsbereich 35 bestehen. Dies führt zu einer zusätzlichen Sicherung der Klebeverbindung 32. Die Ausbildung der Klebeverbindung 32 an dem zweiten Deckel 9 ist analog zu dem ersten Deckel 8 ausgebildet. Der erste und zweite Deckel 8, 9 besteht dabei vollständig aus Metall, beispielsweise

Aluminium. An der Gasöffnung 10 und an der Hydrauliköffnung 1 1 ist ein entsprechendes Innengewinde erforderlich, um das Hydraulikventil 18 in die Hydrauliköffnung 11 einschrauben zu können und das Gasventil 17 an der Gasöffnung 10 in die Gasöffnung 10 einschrauben zu können. Ein derartiges Gewinde kann für die erforderlichen Festigkeiten nur aus Metall ausgebildet werden.

Der Zylinder 5 besteht aus dem Innenzylinder 40 und dem Außenzylinder 41. Auf den ersten und zweiten Deckel 8, 9 liegt außenseitig jeweils ein erster

Außendeckel 42 und ein zweiter Außendeckel 43 auf. Auf dem ersten Deckel 8 liegt der erste Außendeckel 42 und auf dem zweiten Deckel 9 liegt der zweite Außendeckel 43 auf. Der erste und zweite Deckel 8, 9 liegt mit einer radialen Außenseite an einem Wandungsabschnitt 33 parallel zu der Längsachse 34 des Zylinders 5 auf einer Innenseite des Innenzylinders 40 auf, d. h. einer Fläche, welche der inneren Lagerfläche 4 des Zylinders 5 entspricht. Zur fluiddichten

Abdichtung des ersten und zweiten Deckels 8, 9 bezüglich oder an dem

Innenzylinder 40 ist an dem Wandungsabschnitt 33 des ersten und zweiten Deckels 8, 9 eine Ringnut vorhanden und innerhalb dieser Ringnut ist eine ringförmige Dichtung 44 vorhanden. Der Innenzylinder 40 besteht in einer radialen nach außen gerichteten Richtung aus einer Lagerschicht 45

ausschließlich aus einer Matrix für den faserverstärkten Verbundwerkstoff und anschließend aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff. Dadurch ist die innere Lagerfläche 4 des Zylinders 5, an welcher der Kolben 6 gelagert ist,

ausschließlich von der Lagerschicht 45, z. B. ein Epoxidharz, begrenzt.

Bei der Herstellung des Kolbenspeichers 1 wird zunächst ein Wickeldorn (nicht dargestellt), mit einer Matrix ohne Fasern beschichtet, z. B. mit Sprühen oder Aufbürsten. Der Wckeldorn weist dabei einen konstanten Durchmesser auf, ist insbesondere im Querschnitt kreisförmig ausgebildet für einen ebenfalls im Querschnitt kreisförmigen Kolben 6. Nach dem Erhärten der beschichteten

Lagerschicht 45 aus der Matrix wird anschließend auf der erhärteten

Lagerschicht 45 mittels eines Trocken- oder Nasswickelverfahrens ein faserverstärkter Verbundwerkstoff hergestellt, beispielsweise ein mit

Kohlenstofffasern verstärkter Kunststoff. Die Wckelung der Karbonfasern folgt dabei zunächst umlaufend mit einem Winkel α von im Wesentlichen 90° bezüglich der Längsachse 34 und anschließend in einem geringeren Umfang wird eine Wicklung mit einem Winkel von ungefähr 60° aufgebracht, damit der Innenzylinder 40 in einem geringeren Umfang auch axiale Kräfte aufnehmen kann. Nach dem Erhärten des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes wird der Wickeldorn aus dem Innenzylinder 40 herausgezogen. Der Wckeldorn weist dabei eine glatte Oberfläche auf, so dass dadurch auch die innere Lagerfläche 4 des Innenzylinders 40 eine glatte Oberfläche aufweist und keine

Nachbearbeitung, z. B. eine spanabhebende Nachbearbeitung mit Honen, der inneren Lagerfläche 4 erforderlich ist. Dadurch kann der Innenzylinder 40 besonders preiswert hergestellt werden. Anschließend wird in den Innenzylinder 40 der Kolben 6 eingeführt und die axialen Endabschnitte 36 des Innenzylinders 40 mit dem ersten und zweiten Deckel 8, 9 verschlossen. Die Verbindung des ersten und zweiten Deckels 8, 9 mit dem Innenzylinder 40 erfolgt dabei beispielsweise mittels einer

Klebeverbindung 32. Anschließend wird der erste und zweite Außendeckel 42,

43 sowie der Außenzylinder 41 einteilig aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt. Die Wicklung der Kohlenstoff- bzw. Karbonfasern an dem Außenzylinder 41 erfolgt dabei ausschließlich axial mit einem Winkel ß von im Wesentlichen 60°. Dies ist erforderlich, damit der Außenzylinder 41 die großen auftretenden Zugkräfte in axialer Richtung aufnehmen kann. Die auf den ersten und zweiten Deckel 8, 9 wirkenden radialen Kräfte aufgrund des Druckes des Gases und der Hydraulikflüssigkeit werden von dem ersten und zweiten

Deckel 8, 9 auf den ersten und zweiten Außendeckel 42, 43 übertragen und aufgrund der einteiligen Ausbildung mit dem Außenzylinder 41 wirken diese Kräfte aufgrund der Druckkräfte an dem ersten und zweiten Deckel 8, 9 als

Zugkräfte an dem Außenzylinder 41. Insbesondere bei einem Kolbenspeicher 1 als einem Hochdruckspeicher 1 werden Kohlenstofffasern eingesetzt an dem Außenzylinder 41. Der Winkel ß an den Kohlenstofffasern des Außenzylinders 41 beträgt beispielsweise 60°. Das Gasventil 17 und das Hydraulikventil 18 werden entweder vor oder nach der Herstellung des Außenzylinders 41 mit dem ersten und zweiten Deckel 8, 9 fluiddicht verbunden. Der Zylinder 5 weist einen mittigen axialen Abschnitt 37 auf mit einer axialen Ausdehnung 39 sowie eine axiale Gesamtausdehnung 38. Der mittige axiale Abschnitt 37 umfasst ungefähr 70 % der axialen Gesamtausdehnung 38 des Zylinders 5.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Kolbenspeichers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 3 beschrieben. Der erste und zweite Deckel 8, 9 besteht aus thermoplastischem Kunststoff oder einem

kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff als einem Verbundwerkstoff. Zur

Ausbildung des Gewindes an der Gasöffnung 10 und der Hydrauliköffnung 1 1 ist mit dem übrigen Deckel bzw. Außendeckel 8, 9, 42, 43 ein Metall ringteil 12 aus Aluminium verbunden. An dem Metallringteil 12 ist an der Gas- und

Hydrauliköffnung 10, 11 ein nicht dargestelltes Innengewinde ausgebildet zur Verschraubung mit dem Gasventil 17 und dem Hydraulikventil 18. In Fig. 4 ist ein hydraulisches Hybridsystem 20 dargestellt. Das hydraulische Hybridsystem 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 21 und zwei Wellen 22. Mit dem Verbrennungsmotor 21 und der Welle 22 wird die hydraulische Pumpe 24 angetrieben und dadurch Hydraulikflüssigkeit von der hydraulischen Pumpe 24 zu dem hydraulischen Motor 23 gefördert. Der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 sind dabei jeweils als Schrägscheibenmaschinen 25 ausgebildet. Dadurch kann mittels der Hydraulikleitungen 26, welche den hydraulischen Motor 23 mit der hydraulischen Pumpe 24 jeweils fluidleitend verbinden, die Welle 22 an dem hydraulischen Motor 23 angetrieben und von der Welle 22 wird ein Differentialgetriebe 27 angetrieben. Mit dem Differentialgetriebe

27 sind zwei Radwellen 29 sowie jeweils ein Antriebsrad 28 an den Radwellen 29 verbunden. Dadurch können Antriebsräder 28 des nicht dargestellten

Kraftfahrzeuges durch einen hydraulischen Antriebsteilstrang mit dem

hydraulischen Motor 23 und der hydraulischen Pumpe 24 angetrieben werden. Aufgrund der Ausbildung des hydraulischen Motors 23 und der hydraulischen

Pumpe 24 als Schrägscheibenmaschine 25 dient der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 auch als stufenloses hydraulisches Getriebe.

Zweckmäßig weist das hydraulische Hybridsystem 20 auch einen mechanischen Antriebsteilstrang auf zur ausschließlichen mechanischen Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor 21 zu den beiden Antriebsrädern 28 (nicht dargestellt).

Bei einem Betrieb der hydraulischen Pumpe 24 kann ein Teil der

Hydraulikflüssigkeit nicht zu dem hydraulischen Motor 23, sondern durch weitere nicht dargestellte Hydraulikleitungen 26 und nicht dargestellte Ventile von einem Niederdruckspeicher 16 als Kolbenspeicher 1 zu dem Kolbenspeicher 1 als

Hochdruckspeicher 15 geleitet und gespeichert und dadurch hydraulische Energie in den Hochdruckspeicher 15 gespeichert werden. Ferner kann in einem Rekuperationsbetrieb der hydraulische Motor 23 auch als hydraulische Pumpe 24 betrieben werden um dadurch in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch das Leiten von

Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruckspeicher 16 und durch den

hydraulischen Motor 23, welcher als hydraulische Pumpe 24 fungiert, in den Hochdruckspeicher 15 gespeichert werden, weil die hydraulische Pumpe 24 von der Welle 22 und damit den Antriebsrädern 28 angetrieben ist. Durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit unter einem höheren Druck von dem Hochdruckspeicher 15, durch den hydraulischen Motor 23 und zu dem Niederdruckspeicher 16 kann das Kraftfahrzeug angetrieben werden.

Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Kolbenspeicher 1 wesentliche Vorteile verbunden. Der Zylinder 5 ist zweiteilig aus dem

Innenzylinder 40 und dem Außenzylinder 41 vollständig aus einem nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere dem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt. Dadurch weist der Kolbenspeicher 1 eine geringe Masse auf. Die einteilige Ausbildung des ersten und/oder zweiten Außendeckels 42, 43 mit dem Außenzylinder 41 und aufgrund des Aufliegens des ersten und/oder zweiten Außendeckels 42, 43 auf dem ersten und/oder zweiten Deckel 8, 9 werden die Wandungen des ersten und/oder zweiten Deckels 8, 9, welcher in Fluidkontakt mit dem Gas oder dem Hydrauliköl steht, im Wesentlichen nur auf Druck beansprucht und die auftretenden Druckkräfte an dem ersten und/oder zweiten Deckel 8, 9 werden von dem ersten und/oder dem zweiten Außendeckel 42, 43 besonders einfach in den Außenzylinder 41 eingeleitet. Dadurch kann der erste und/oder zweite Deckel 8, 9 auch bei einem Hochdruckkolbenspeicher 1 vollständig aus Kunststoff hergestellt werden. Der Kolbenspeicher 1 weist dadurch insgesamt eine besonders geringe Masse auf und kann auch als Hochdruckkolbenspeicher 1 eingesetzt werden und die innere Lagerfläche 4 erfordert bei der Herstellung keine spanabhebende Bearbeitung oder eine sonstige Nachbearbeitung. Dadurch ist der Kolbenspeicher 1 in der Herstellung besonders preiswert, weil insbesondere im Wesentlichen kein Metall als teuerer Werkstoff an dem Kolbenspeicher 1 eingesetzt ist.