DE10038971A1 - Verfahren zur Einstellung der Drosselwirkung eines Ventils - Google Patents
Verfahren zur Einstellung der Drosselwirkung eines VentilsInfo
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Abstract
Verfahren zur Einstellung der Drosselwirkung eines Ventils, umfassend einen Ventilkörper mit mindestens einem Durchtrittskanal für ein Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium aufgrund der Ausgestaltung des Drosselkanals einer Drosselwirkung unterliegt und mittels Ausnutzung der Wärmeentwicklung eines Laserstrahls die die Drosselwirkung des Ventils bestimmende(n) Komponente(n) des Ventils dahingehend verändert wird/werden, dass Abweichungen von der vorbestimmten Drosselwirkung minimiert werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Drosselwirkung eines Ven
tils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 43 15 458 C2 ist ein Ventil für einen hydraulischen Teleskop-
Schwingungsdämpfer bekannt, dessen konstruktiver Aufbau eine individuelle Ein
stellung von Ventilscheiben ermöglicht. Dazu wird der Ventilkörper separat mit
einer Kolbenstange verbunden und mit Ventilscheiben versehen. Eine Einstellhül
se oder ein Zapfen spannt die Ventilscheiben bis auf ein bestimmtes Maß vor,
wobei durch eine entsprechende Vorrichtung die Abhubkraft der Ventilscheiben
von einer Ventilsitzfläche bestimmt werden kann. Ist die vorgesehene Abhubkraft
erreicht, so wird der Zapfen oder die Einstellhülse fixiert. Folglich kann man un
abhängig von den Fertigungstoleranzen eine geforderte Dämpfkraft des Ventils
sehr genau einstellen.
Die DE 44 24 437 A1 beschreibt ein Ventil, bei dem ebenfalls die Abhubkraft des
Ventils einstellbar ist. Das Ventil verfügt über ein Ventilgehäuse, an dem sich
eine Schraubendruckfeder abstützt. Durch eine gezielte Verformung des Ventil
gehäuses wird der Vorspannweg der Schraubendruckfeder und damit die
Schließkraft verändert. Auch diese Art der Ventileinstellung kann nur bei einer
bestimmten Ventilkonstruktion eingesetzt werden.
Des weiteren gilt es zu berücksichtigen, dass ein Ventil, insbesondere ein
Dämpfventil, verschiedene Strömungswege und Ventilmittel aufweist, um eine
geforderte Dämpfkraftkennlinie zu erzeugen. Bei geringen Strömungsgeschwin
digkeiten ist ein sogenannter Voröffnungsquerschnitt wirksam, dessen Wirkung
vom Strömungsquerschnitt abhängig ist. In einem mittleren Kennlinienbereich
wird das Verhalten des Dämpfventils von Ventilscheiben bestimmt, die auf eine
Ventilsitzfläche vorgespannt sind. Um diesen Kennlinienbereich zu beeinflussen,
muss man die Vorspannkraft, die auf die Ventilscheibe einwirkt, verändern kön
nen. Je nach Auslegung des Dämpfventils ist bei sehr hohen Strömungsge
schwindigkeiten der maximal zur Verfügung stehende Durchflussquerschnitt
maßgeblich für die Dämpfkraft des Dämpfventils.
Bisher hat man bei den Dämpfventilen größere Dämpfkrafttoleranzen zugelassen.
Andererseits geht der Trend zu immer präziser eingestellten Dämpfkräften. Dazu
ist ein sehr hoher Fertigungsaufwand notwendig. Die Dämpfventile werden mon
tiert und hinsichtlich der Dämpfkraftkennlinie überprüft. Bei Abweichungen von
der vorgeschriebenen Toleranz wird das Ventil demontiert und mit leicht modifi
zierten Bauteilen montiert und erneut überprüft. Entsprechend steigt der Ferti
gungsaufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu realisieren, mit dem
verschiedenartige Ventile hinsichtlich ihres Drosselverhaltens präzise eingestellt
werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mittels Ausnutzung der
Wärmeentwicklung eines Laserstrahls die die Drosselwirkung des Ventils be
stimmende(n) Komponente(n) des Ventils dahingehend verändert wird/werden,
dass Abweichungen von einer vorbestimmten Drosselwirkung minimiert werden.
Der wesentliche Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass die Ausschussrate bei
der Produktion verringert oder die Genauigkeit der Drosselwirkung des Ventils
erhöht werden kann, ohne dass man die Maßhaltigkeit bei den einzelnen Ventil
komponenten erhöhen muss. Die Arbeitsgeschwindigkeit des Laserstrahls ist sehr
hoch. Demontagearbeiten beim Ventil entfallen. Des weiteren kann die Lagerhal
tung bei den Ventilteilen verringert werden, da man Grundelemente des Ventils
sehr leicht den Erfordernissen anpassen kann.
Bei einer Verfahrensvariante wird mit dem Laserstrahl der wirksame Querschnitt
des Drosselkanals verändert. Es wird ein Laserstrahl verwendet, dessen Wärme
wirkung derart hoch ist, dass ein Abbrennen von Volumenteilen am Ventilkörper
erfolgt. Man kann auch Kanten im Strömungsweg brechen oder ggf. aus dem
Produktionsprozess resultierende Grate entfernen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die
Möglichkeit, dass der wirksame Querschnitt des Drosselkanals von einer Ventil
scheibe bestimmt wird, wobei die Ventilscheibe im Bereich des Drosselkanals
mindestens eine Ausbrennung aufweist, die den wirksamen Querschnitt des
Drosselkanals im Vergleich zu einem ursprünglichen Montagezustand vergrößert.
Man dimensioniert den Drosselkanal bewusst größer als es für die Drosselwir
kung erforderlich ist und begrenzt den Drosselkanal dann mit einer Ventilscheibe.
Eine Ventilscheibe verfügt über eine deutlich geringere Materialstärke als der
Ventilkörper, so dass für die korrekte Einstellung des Querschnitts des Drossel
kanals ein geringerer Abbrand mit dem Laserstrahl notwendig ist.
Es gibt Ventilkörperkonstruktionen, bei denen die Drosselkanäle über ihre gesam
te Länge getrennt sind. Wenn man bei einem derartigen Ventilkörper eine Ventilscheibe
einsetzt, die die Drosselkanäle zumindest teilweise abdeckt und man
dann die Ventilscheibe gezielt zur Bestimmung der Querschnitte der Drosselkanä
le mit dem Laserstrahl abbrennt, dann muss man dafür sorgen, dass sich die
Ventilscheibe nicht in Umfangsrichtung verlagern kann. Dann kann es nämlich
passieren, dass der ausgebrannte Bereich der Ventilscheibe nicht mehr mit dem
entsprechenden Drosselkanal in Überdeckung steht. Um diese mögliche Fehler
quelle zu berücksichtigen wird die Ventilscheibe mit der Ausbrennung durch ei
nen Laserschweißstrahl zum Durchtrittskanal fixiert. Dazu ist kein Wechsel eines
Laserkopfes notwendig, sondern nur eine Veränderung des Laserstrahls.
Man kann Ventilscheiben auch in der Form verwenden, dass sie mit dem Ventil
körper verspannt sind und bei einer Druckbeaufschlagung durch das Arbeitsmedi
um vom Ventilkörper elastisch deformiert werden und abheben. Man nutzt die
Federvorspannung der Ventilscheibe aus, um eine gezielte Drosselwirkung zu er
reichen. Um auch für diesen Fall eine Einstellung der Drosselwirkung zu ermögli
chen, wird bei einer Ventilscheibe durch Wärmeeinwirkung eine Gefügeverände
rung mit dem Ziel der Veränderung der Federvorspannung vorgenommen.
Man kann auch bei einer Feder, die auf eine Ventilscheibe einwirkt, durch Wär
meeinwirkung eine Gefügeveränderung mit dem Ziel der Veränderung der Feder
vorspannung vornehmen.
Des weiteren kann man mindestens zwei Ventilscheiben unterschiedlicher Größe
aufeinander schichten, wobei sich die größere Ventilscheibe während der Durch
strömung des Drosselkanals am Rand der kleineren Ventilscheibe abstützt und
mit dem Laserstrahl der Randdurchmesser verändert wird. Durch eine Durchmes
seränderung bei der Ventilscheibe mit dem kleineren Durchmesser ändert sich der
Kipp-Punkt für die Ventilscheibe mit dem größeren Durchmesser, da die Abstütz
fläche durch die kleinere Ventilscheibe reduziert wurde. Ein veränderter Kipp-
Punkt hat einen wesentlichen Einfluss auf die Federkraftcharakteristik des Ventil
scheibensatzes.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Unteranspruch besteht die Möglichkeit, dass
eine Überprüfung der Drosselwirkung des Ventils durchgeführt wird. Wenn meh
rere Komponenten des Ventils mit dem Laserstrahl optimiert wurden, können
auch entsprechend häufige Überprüfungen erfolgen. Für die Überprüfungen kann
vielfach Druckluft eingesetzt werden.
Um das Verfahren besonders effektiv nutzen zu können, ist vorgesehen, dass die
die Drosselwirkung des Ventils bestimmenden Komponenten hinsichtlich der To
leranzen der die Drosselwirkung bestimmenden Parameter mit einem Bearbei
tungszuschlag für die Laserstrahlbearbeitung ausgeführt sind. Man wählt be
wusst den Weg, dass man einen "Arbeitszuschlag" wählt. Damit besteht die
Möglichkeit, die Ventilteile deutlich ungenauer zu fertigen, da die Endeinstellung
mit dem Laserstrahl vorgenommen wird.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert
werden.
Es zeigt:
Fig. 1 Ventil innerhalb eines Schwingungsdämpfers
Fig. 2 Kennlinie eines Drosselventils
Fig. 3 Kolben als Baugruppe
Fig. 4 Ausgestaltung des Voröffnungsquerschnitts
Fig. 5 u. 6 Bestückung des Ventils
Die Fig. 1 zeigt einen an sich bekannten Schwingungsdämpfer 1 in Zweirohr
bauweise, bei dem eine Kolbenstange 3 mit einem Kolben 5 in einem Druckrohr 7
axial beweglich geführt ist. Der Kolben 5 trennt das Druckrohr in einen oberen
Arbeitsraum 9 und einen unteren Arbeitsraum 11, wobei beide Arbeitsräume über
Drosselventile 13a; 13b im Kolben verbunden sind.
Das Druckrohr 7 wird von einem Behälterrohr 15 eingehüllt, wobei die Innenwan
dung des Behälterrohres und die Außenwandung des Druckrohres einen Aus
gleichsraum 17 bilden. Am unteren Ende des Arbeitsraums 11 ist ein Boden an
geordnet, der ein Rückschlagventil 19 und ein Drosselventil 21 aufweist.
In Ausfahrrichtung der Kolbenstange wird der obere Arbeitsraum 9 verkleinert
und das darin befindliche Arbeitsmedium durch das Drosselventil 13a verdrängt.
Das Rückschlagventil 19 ist geöffnet, um im unteren Arbeitsraum 11 einen Un
terdruck zu vermeiden.
Fährt die Kolbenstange in das Druckrohr ein, so wirkt das Drosselventile 13b und
das Drosselventil 21 am Boden des Arbeitsraumes 11. Das verdrängte Kolben
stangenvolumen wird durch eine Volumenänderung im Arbeitsraum 17 ausgegli
chen.
Die Fig. 2 zeigt eine qualitative Kennlinie eines Drosselventils 13a; 13b oder 21
als Funktion einer Drosselkraft bezogen auf eine Strömungsgeschwindigkeit des
Arbeitsmediums. Für den Verlauf der Kennlinie sind im wesentlichen drei Drossel
stellen maßgeblich. Bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten vö wirkt ein soge
nannter Voröffnungsquerschnitt, der vielfach in Form einer Blende ausgeführt ist.
Der mittlere Strömungsgeschwindigkeitsbereich vF wird häufig von einer Feder
kraft bestimmt, die eine Ventilscheibe auf einen Drosselquerschnitt vorspannt.
Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten vQm des Arbeitsmediums im Drossel
ventil wirkt ein größerer Konstantquerschnitt. Die Ventilscheibe hat dabei die
maximalen Durchlass-Stellung eingenommen.
Die Fig. 3 zeigt den Kolben 5 als Baugruppe. Ein Ventilkörper 23 verfügt über
Drosselkanäle 25; 27, die die beiden Arbeitsräume 9; 11 miteinander verbinden.
Der Drosselkanal 25 wird von einer Ventilscheibe 29 abgedeckt, die wiederum
von einer Sternfeder 31 vorgespannt ist. Zwischen der Sternfeder und der Stern
feder ist eine Kippscheibe 33 angeordnet, deren Außendurchmesser das Abhubverhalten
der Ventilscheibe 29 bestimmt. Eine Anschlagscheibe 35 begrenzt den
Abhubweg der Ventilscheibe 29.
Im rechten Halbschnitt wird anstelle der Sternfeder eine kegelförmige Schrauben
druckfeder 37 verwendet. Die Funktion der Kippscheibe 33 übernimmt ein Ab
satz 39 der Anschlagscheibe 35. Alternativ zur Schraubendruckfeder kann auch
eine gewöhnliche Tellerfeder eingesetzt werden. Es würde den Rahmen spren
gen, wenn man alle möglichen Ausführungsformen der bekannten Ventilscheiben
und Federn darstellen wollte.
Das Drosselventil 13a verfügt über eine Ventilscheibe 41, die mit dem Drossel
kanal 27 in Überdeckung steht, und den maximalen Strömungsquerschnitt im
Drosselkanal 27 bestimmt. Je nach Erfordernis wird eine Ventilscheibe mit ange
passtem Außendurchmesser verwendet, damit man einen möglichst standardi
sierten Kolben einsetzen kann. Am anderen Ende des Drosselkanals sind Ventil
scheiben 43; 45 angeordnet, die von einer Hülse 47 auf den Ventilkörper 23 ge
spannt sind. Die Ventilscheibe 43 kann als sogenannte Voröffnungsscheibe aus
geführt sein, die im Bereich des Außendurchmessers eine kleine Aussparung 47
aufweist, die sich radial bis in den Bereich des Drosselkanals 27 erstreckt. Die
Ventilscheibe 45 dient als Abdeckscheibe für die Aussparung. (s. Fig. 4) Der
Voröffnungsquerschnitt wird von der Breite b der Aussparung von der Scheiben
dicke der Ventilscheibe 43 bestimmt.
Die Ventilscheiben 43; 45 werden von einer Ventilplatte 49 in Verbindung mit
einer Ventilfeder 51 auf den Ventilkörper vorgespannt. Mittels einer Einstellmut
ter 53 lässt sich die Vorspannkraft der Ventilfeder variieren.
Die Fig. 5 zeigt einen Kolben 5 bei dem die Bestückung für das Drosselventil 13b
noch nicht montiert wurde und der maximal wirksame Querschnitt des Drossel
kanals 27 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingestellt werden soll. Dazu
wird die Ventilscheibe 41 auf den Ventilkörper 23 aufgelegt. Der Außendurch
messer ist deutlich überdimensioniert, so dass vorab bekannt ist, dass der maximal
wirksame Querschnitt des Drosselkanals in diesem Montagezustand zu klein
dimensioniert ist. In einer nur durch eine Wandung dargestellten Vorrichtung wird
ein Druck p1 auf der einen und ein Druck p2 auf der anderen Ventilseite erzeugt,
in dem der Ventilkolben von einem Arbeitsmedium, beispielsweise einem Gas o
der hydraulischen Medium mit einer definierten Geschwindigkeit angeströmt
wird. Aus der Druckdifferenz p1 - p2 in Verbindung mit der bekannten Geschwin
digkeit kann man den Kennlinienbereich vQm bestimmen und mit einem vorgege
benen Kennlinienverlauf vergleichen. Je nach Abweichung vom vorgegebenen
Kennlinienverlauf mit mittels eines Laserstrahls 55 die Außenkontur der Ventil
scheibe im Bereich der Drosselkanäle 27 abgetragen. Es kann reichen, dass man
eine Art Fase am Außendurchmesser anarbeitet, eine vollständige Ausbren
nung 57 kann aber u. U. auch notwendig sein. Danach wird erneut die Druckdif
ferenz p1 - p2 gemessen und ggf. eine weitere Nachbearbeitung durchgeführt. Bei
einer Druckdifferenzmessung mit einem gasförmigen Medium kann eine kontinu
ierliche Druckdifferenzmessung während des Lasereinsatzes ablaufen. Damit das
Arbeitsergebnis erhalten bleibt und durch weitere Montageschritte die Ausbren
nung 57 durch Verdrehen der Ventilscheibe nicht mehr in Überdeckung mit dem
Drosselkanal steht, wird mit dem Laserstrahl 55 die Ventilscheibe 41 mit dem
Ventilkörper 23 außerhalb der Drosselkanäle durch mindestens eine Schweißstel
le 59 fixiert.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Ventilscheibe 29 auf den Ventilkör
per 23 gelegt (Fig. 6) und wiederum die Druckdifferenz p1 - p2 bei einer niedrigen
Strömungsgeschwindigkeit gemessen und mit dem vorgegebenen Kennlinienver
lauf verglichen. Für den Kennlinienbereich vö (Fig. 2) kann man zwei Wege gehen.
Zum einen kann man nach dem in der Fig. 5 dargestellten Prinzip die Aussparung
in der Ventilscheibe 43 mit dem Laserstrahl verbreitern oder in die Ventilschei
be 29 eine Anzahl von Durchgangsöffnungen 61 brennen, die in Überdeckung mit
dem Drosselkanal 25 stehen. Die Durchgangsöffnungen 61 würden dann in bei
den Durchströmungsrichtungen des Kolbens 5 wirksam sein. Denkbar wäre auch,
eine Ausbrennung 57 am Ventilkörper 23 selbst vorzunehmen.
Bevor die Ventilplatte 49 montiert wird, die Ventilscheiben 43; 45 aber schon auf
dem Ventilkörper 23 vorgespannt sind, kann man durch eine gezielte Wärmeein
wirkung des Laserstrahls 55 eine Gefügeänderung vornehmen und die Eigen
spannung der Ventilscheiben bestimmen. Der mittlere Kennlinienbereich vF wird
durch die additive Überlagerung der Ventilscheibenvorspannung und der Feder
kraft der Ventilfeder 51 bestimmt. Entsprechende Druckmessungen vor und nach
der Wärmebehandlung bei definierten Strömungsgeschwindigkeiten des Arbeits
mediums durch den Ventilkörper sind vorzunehmen.
In der Fig. 7 ist die Kippscheibe 33 aufgelegt. Die entsprechende Funktion für
das Drosselventil 13 ab übernimmt die Stirnfläche der Hülse 47. Wiederum wer
den Kraft/Geschwindigkeitsmessungen für den mittleren Geschwindigkeitsbereich
vF vorgenommen und ggf. eine Ausbrennung 57 der Außendurchmesser der
Stirnfläche der Hülse 47 und der Kippscheibe 33 ausgeführt. Man ändert den ab
stützenden Hebelarm der Kippscheibe, die das Abhubverhalten der Ventilschei
be 29 bzw. 43; 45 bestimmt.
Abschließend werden die Sternfeder bzw. Schraubendruckfeder und die Ventilfe
der mittels Wärmebehandlung durch den Laserstrahl 55 in ihrer Vorspannkraft
eingestellt (Fig. 1), indem die eingebrachte Wärme eine Gefügeveränderung bei
den Federn bewirkt. Die bereits mehrfach beschriebenen Messungen mit einem
die Drosselkanäle 25; 27 durchströmenden Arbeitsmedium werden ebenfalls
durchgeführt.
Man kann für den Kolben eine nicht dargestellte Aufnahmevorrichtung vorsehen,
die die Ventilteile zusammenhält und mit der die Baueinheit an den vorgesehenen
Montageort gebracht werden kann. Alternativ kann man eine Lösung wählen, bei
der ein Zapfen als Träger verwendet wird und der in eine vorgesehene Montage
position bewegt wird. Beispielhaft wird auf die DE 196 49 247 A1 verwiesen,
die einen Kolben auf einem Zapfen offenbart, wobei der Zapfen zusammen mit
dem Ventilkörper in eine Aufnahmeöffnung einpressbar ist.
Die Erfindung soll sich nicht nur auf Schwingungsdämpfer beschränken, sondern
ist vielfältig einsetzbar.
Claims (9)
1. Verfahren zur Einstellung der Drosselwirkung eines Ventils, umfassend ei
nen Ventilkörper mit mindestens einem Durchtrittskanal für ein Arbeitsme
dium, wobei das Arbeitsmedium aufgrund der Ausgestaltung des Drossel
kanals einer Drosselwirkung unterliegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels Ausnutzung der Wärmeentwicklung eines Laserstrahls (55)
die die Drosselwirkung des Ventils (13a; 13b; 21) bestimmende(n) Kom
ponente(n) des Ventils (13a; 13b; 21) dahingehend verändert
wird/werden, dass Abweichungen von einer vorbestimmten Drosselwir
kung minimiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem Laserstrahl (55) der wirksame Querschnitt des Drosselka
nals (25; 27) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wirksame Querschnitt des Drosselkanals (27) von einer Ventil
scheibe (41) bestimmt wird, wobei die Ventilscheibe im Bereich des Dros
selkanals mindestens eine Ausbrennung (57) aufweist, die den wirksamen
Querschnitt des Drosselkanals (27) im Vergleich zu einem ursprünglichen
Montagezustand vergrößert.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilscheibe (29; 41; 43) mit der Ausbrennung (57) durch einen
Laserschweißstrahl (57) zum Durchtrittskanal (25; 27) fixiert ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einer Ventilscheibe (29; 43; 45) durch Wärmeeinwirkung eine Ge
fügeveränderung mit dem Ziel der Veränderung der Federvorspannung vor
genommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einer Feder (31; 37; 51), die auf eine Ventilscheibe (29; 43; 45)
einwirkt, durch Wärmeeinwirkung eine Gefügeveränderung mit dem Ziel
der Veränderung der Federvorspannung vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Ventilscheiben (29; 33) unterschiedlicher Größe
aufeinander geschichtet sind, wobei sich die größere Ventilscheibe (29)
während der Durchströmung des Drosselkanals (25) am Rand der kleineren
Ventilscheibe (33) abstützt und mit dem Laserstrahl (55) der Randdurch
messer verändert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Überprüfung der Drosselwirkung des Ventils (13a; 13b; 21)
durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die die Drosselwirkung des Ventils (13a; 13b; 21) bestimmenden
Komponenten (29; 31; 33; 37; 41; 43; 45; 51) hinsichtlich der Toleranzen
der die Drosselwirkung bestimmenden Parameter mit einem Bearbeitungs
zuschlag für die Laserstrahlbearbeitung ausgeführt sind.
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