DE10038971A1 - Verfahren zur Einstellung der Drosselwirkung eines Ventils - Google Patents

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 v_ö wirkt ein soge­ nannter Voröffnungsquerschnitt, der vielfach in Form einer Blende ausgeführt ist. Der mittlere Strömungsgeschwindigkeitsbereich v_F wird häufig von einer Feder­ kraft bestimmt, die eine Ventilscheibe auf einen Drosselquerschnitt vorspannt. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten v_Qm 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 v_Qm 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 v_ö (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 v_F 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 v_F 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.