DE10058136C1 - Umschaltventil mit strömungsrichtungsabhängigem Querschnitt - Google Patents

Abstract

Umschaltventil, umfassend einen Ventilkörper, der zwei mit einem Fluid gefüllte Arbeitsräume trennt, wobei im Ventilkörper Durchtrittsöffnungen ausgeführt sind, die bis auf einen Voröffnungsquerschnitt abgedeckt werden, wobei der Voröffnungsquerschnitt von einer Umschaltscheibe in Abhängigkeit der Durchflussrichtung im Umschaltventil gesteuert wird, wobei zwischen der Umschaltscheibe und dem Voröffnungsquerschnitt mindestens eine Distanzscheibe angeordnet ist, die mindestens eine Aussparung aufweist, die mit dem Voröffnungsquerschnitt in Strömungsverbindung steht, wobei die Aussparung eine größere Flächenausdehnung aufweist als der Voröffnungsquerschnitt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil entsprechend dem Oberbegriff von Pa­ tentanspruch 1.

Die DE 40 25 115 A1 beschreibt ein Dämpfventil, umfassend einen Dämpfventil­ körper, wobei ausgehend von einem Dämpfventilgrundkörper erhabene Dämpf­ ventilkörperbereiche ausgeformt sind, die Ventilauflageflächen bilden, mit Durch­ trittskanälen, die von Ventilscheiben abgedeckt werden, wobei auf den Ventilauf­ lageflächen mindestens eine ringförmige Ventilscheibe angeordnet ist, die min­ destens einen Voröffnungsquerschnitt aufweist, der in Überdeckung mit einem Durchtrittskanal steht, wobei der Voröffnungsquerschnitt von einer Umschalt­ scheibe abgedeckt wird, die bei Anströmung aus dem Durchtrittskanal in Achs­ richtung des Ventilkörpers von der Ventilscheibe abheben kann. Diese prinzipiell gute Ausgestaltung eines richtungsabhängigen Voröffnungsquerschnitts ist je­ doch mit dem Nachteil behaftet, dass die Umschaltscheibe aufgrund der Adhäsi­ onskräfte am Ventilkörper kleben bleiben kann. Eine Möglichkeit, derartigen Kle­ beeffekten entgegenzuwirken besteht darin, eine der Kontaktflächen, entweder am Ventilkörper oder an der Ventilscheibe, aufzurauen. Versuche haben zwar ei­ ne Verbesserung gezeigt, doch noch kein zufriedenstellendes Ergebnis gebracht.

Die US 5,261,448 beschreibt ein Umschaltventil, umfassend einen Ventilkörper, der zwei mit einem Fluid gefüllte Arbeitsräume trennt, wobei im Ventilkörper Durchtrittsöffnungen ausgeführt sind, die zumindest teilweise von einer Anzahl von Ventilscheiben abgedeckt werden, wobei der Durchtrittsquerschnitt der Durchtrittsöffnungen von einer Umschaltscheibe in Abhängigkeit der Durchfluss­ richtung gesteuert wird, die in Umfangsrichtung verlaufende Federabschnitte, mindestens eine Deckfläche und Spannflächen aufweist, die die Umschaltscheibe außerhalb der Deckflächen und der Federelemente am Umschaltventil vorspannt, wobei die mindestens eine Deckfläche auf mindestens eine Durchtrittsöffnung ausgerichtet ist. Der begrenzte Federabschnitt wird in Querrichtung verformt, so dass eine kleine Federrate erreicht wird, wenn man den Federabschnitt in Um­ fangsrichtung möglichst schmal ausführt, was aber der notwendigen Festigkeits­ anforderung entgegensteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Umschaltventil mit einem rich­ tungsabhängig wirksamen Voröffnungsquerschnitt derart weiterzubilden, dass die Schaltbewegung der Ventilelemente, die den Voröffnungsquerschnitt freigeben, mit möglichst geringen Kräften ablaufen kann und für die andere Druckrichtung ein sicheres Schließen gewährleistet ist. Des weiteren soll ein sicheres Betriebs­ verhalten und eine möglichst große Dauerfestigkeit erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen der Umschalt­ scheibe und dem Voröffnungsquerschnitt mindestens eine Distanzscheibe ange­ ordnet ist, die mindestens eine Aussparung aufweist, die mit dem Voröffnungs­ querschnitt in Strömungsverbindung steht, wobei die Aussparung eine größere Flächenausdehnung aufweist als der Voröffnungsquerschnitt.

Der wesentliche Vorteil, der mit der Verwendung der Distanzscheibe verbunden ist, besteht darin, dass die druckbeaufschlagte Fläche zur Abhubbewegung der Umschaltscheibe deutlicht vergrößert werden kann, ohne dass die Größe des Voröffnungsquerschnitts verändert werden muss. Die druckbeaufschlagte Fläche ist völlig unabhängig vom Voröffnungsquerschnitt zu dimensionieren.

Des weiteren kann die Umschaltscheibe eine wesentlich größere Materialstärke bei trotzdem verringerten Öffnungskräften aufweisen, wodurch die Dauerhaltbar­ keit der Umschaltscheibe deutlich gesteigert werden kann.

Die großen Aussparungen ist der Distanzscheibe reduzieren die Kontaktfläche zu einer Ventilscheibe, die zusammen mit der Umschaltscheibe von der Distanz­ scheibe bei einer Anströmung abheben muss. Die verringerte Kontaktfläche redu­ ziert nochmals die auftretenden Klebekräfte. Die Umschaltscheibe kann auch di­ rekt auf der Distanzscheibe aufliegen.

Um einerseits einen möglichst großen Querschnitt für die Aussparungen zu reali­ sieren und gleichzeitig die Möglichkeit eines hydraulischen Kurzschlusses zwi­ schen dem Voröffnungsquerschnitt und dem in Strömungsrichtung liegenden Ar­ beitsraum zu vermeiden, ist die Distanzscheibe lageorientiert zu dem Voröff­ nungsquerschnitt angeordnet. Der Voröffnungsquerschnitt kann im Ventilkörper eingeprägt sein oder von einer Ventilscheibe gebildet werden, die eine Ausklin­ kung entsprechend dem Voröffnungsquerschnitt enthält.

Für den Fall, dass die Umschaltscheibe direkt auf der Distanzscheibe angeordnet ist, ist vorgesehen, dass die Umschaltscheibe durch Ausnehmungen voneinander getrennte Spannflächen und Deckflächen aufweist, wobei die Deckflächen über Federabschnitte eine Hubbewegung relativ zu den Spannflächen ausführen kön­ nen und die Aussparungen in der Distanzscheibe in Überdeckung mit mindestens einer Deckfläche steht.

Man kann die Aussparung noch über die Größe der Deckflächen der Umschalt­ scheibe vergrößern, indem die Distanzscheibe zusätzliche Aussparungen im Be­ reich von mindestens einem Federabschnitt aufweist.

Um möglichst große Aussparungen in der Distanzscheibe realisieren zu können, verlaufen die Aussparungen in der Distanzscheibe und die Deckflächen in der Umschaltscheibe in Umfangsrichtung.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden:

Es zeigt:

Fig. 1 Beispielhafte Ausgestaltung eines Schwingungsdämpfers

Fig. 2 Ventilkörper im Detail

Fig. 3 Umschaltscheibe als Einzelteil

Fig. 4 Drosselscheibe als Einzelteil

Fig. 5 Haltescheibe als Einzelteil

Fig. 6 Ansichten vom Ventilkörper

Fig. 7 weitere Umschaltscheibe als Einzelteil

Fig. 8 Distanzscheibe als Einzelteil

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Kolbenzylinder-Aggregat 1 in der Ausführung ei­ nes Einrohrschwingungsdämpfers. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch bei anderen Kolbenzylinder-Aggregaten anwenden, wie Gasfedern o. ä.

Der Einrohrschwingungsdämpfer 1 besteht im wesentlichen aus einem Druck­ rohr 3, indem ein Kolben 5 an einer Kolbenstange 7 axial beweglich angeordnet ist. An der Austrittsseite der Kolbenstange 7 verschließt eine Kolbenstangenfüh­ rung 9 einen mit Dämpfmittel gefüllten Arbeitsraum 11, der durch einen Trenn­ kolben 13 von einem Gasraum 15 getrennt ist, der endseitig einem Boden 17 mit Auge 19 aufweist.

Bei einer Kolbenstangenbewegung wird Dämpfmedium durch Dämpfventile 21 im Kolben 5 verdrängt. Ein Kolbenring 23, der eine Umfangsfläche 25 des Kolbens 5 abdeckt, verhindert ein seitliches Umströmen des Kolbens.

Die Fig. 2 zeigt den Kolben 5 des Schwingungsdämpfers 1 als Einzelteil mit ei­ nem erfindungsgemäßen Umschaltventil 27, das in dieser Ausführungsform aus einer Drosselscheibe 29 in Verbindung mit einer Distanzscheibe 30 und einer Umschaltscheibe 31 besteht. In der Drosselscheibe ist mindestens ein Voröff­ nungsquerschnitt 33 orientiert zu einer Durchtrittsöffnung 35 ausgeführt. In der Distanzscheibe ist mindestens eine Aussparung 32 in Strömungsverbindung mit der Durchtrittsöffnung 35 vorgesehen. Die Flächenausdehnung der mindestens einen Aussparung ist deutlich größer als die Durchtrittsöffnung 35. Die Ausspa­ rung(en) 32 wird/werden in der Distanzscheibe 30 wird von einer Deckfläche 37 der Umschaltscheibe 31 abgedeckt. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch auf ein Bodenventil eines Schwingungsdämpfers oder einen anderen Anwen­ dungsfall übertragen.

Das Umschaltventil 27 ist Teil des Dämpfventils 21 im Kolben 5 des Schwin­ gungsdämpfers, der einen Ventilkörper 39 aufweist, der über die Durchtrittsöff­ nungen 35a; 35b die beiden Arbeitsräume 11a und 11b verbindet. Die Durch­ trittsöffnungen münden aus Ventilauflageflächen 41, auf denen die Drosselschei­ be in ihrem äußeren Bereich aufliegt. Am radial inneren Bereich ist ein Auflager­ ring 43 in den Ventilkörper eingelegt, bzw. eingepresst, dessen Auflagefläche mit der Ventilauflagefläche 41 exakt in einer Ebene liegt, so dass die Drosselscheibe über ihre gesamte Oberfläche plan ist. Die Zentrierung der Drosselscheibe erfolgt über den Innendurchmesser an einem Zapfen der Kolbenstange 7. Ggf. wird der Auflagerring 43 mit den Ventilauflagefläche 41 in einem gemeinsamen Arbeits­ gang auf die vorgesehene Höhe bearbeitet. Die Drosselscheibe verfügt über eine in Umfangsrichtung verlaufende C-förmige Ausnehmung 34 (s. Fig. 4) und kann sich elastisch verformen, wobei der Außenbereich, der auf den Ventilauflageflä­ chen aufliegt, abheben kann, hingegen der innere Bereich über einen Spann­ ring 45 in Verbindung mit einer Anschlagscheibe 47 am Kolbenstangenzapfen fixiert ist.

Die auf der Distanzscheibescheibe 30 aufliegende Umschaltscheibe 31 verfügt radial innerhalb und außerhalb der Deckfläche 37 über innere und äußere Spann­ flächen 49; 51, die jeweils durch Ausnehmungen 53; 55 getrennt sind, wodurch die Deckfläche in Achsrichtung des Ventilkörpers von der Distanzscheibe 30 ab­ heben kann. Zur Zentrierung der Umschaltscheibe wird deren Innendurchmesser eingesetzt, der ebenfalls am Spannring angreift.

Damit die Abhubbewegung der Deckfläche der Umschaltscheibe begrenzt wird, ist auf den Spannflächen 49; 51 eine Haltescheibe 57 aufgelegt, die wiederum von einem Federelement 59, in diesem Fall eine Tellerfeder, vorgespannt ist. Zu­ mindest im Bereich der Deckfläche 37 der Umschaltscheibe 31 verfügt die Halte­ scheibe 57 über eine Rinne 61, die den nötigen Freiraum für die Abhubbewegung der Deckfläche bereitstellt, s. linke Schnitthälfte. Am Innendurchmesser der Hal­ tescheibe sind in Richtung der Anschlagscheibe 47 Führungssegmente 63 als Radialführung ausgeformt. In die andere Richtung sind Formschluss-Segmente 65 ausgeführt, die die Umschaltscheibe, die Distanzscheibe und die Drosselscheibe durch- und in ein den Anschluss-Segmenten angepasstes Gegenprofil 67 des Ventilkörpers eingreifen.

Im Rinnengrund 69 der Rinne 61 sind Strömungsverbindungen 71 eingearbeitet, die die Rinne mit dem oberen Arbeitsraum 11a verbinden, wobei die Strömungs­ verbindungen außerhalb der Fläche des Federelementes 59 liegen.

Bei einer Anströmung des Umschaltventils 27 mit Dämpfmittel aus dem Arbeits­ raum 11b durch die Durchtrittsöffnungen 35a wird die Drosselscheibe 29 auf dem Querschnitt der Durchtrittsöffnungen 33 druckbeaufschlagt. Geringe Druck­ kräfte können die Drosselscheibe gegen die Kraft des Federelementes 59 nicht von den Ventilauflageflächen abheben lassen. Die Aussparung 32 in der Distanz­ scheibe sorgt für eine Strömungsverbindung bis zur Deckfläche 37 der Umschalt­ scheibe 31 und eine im Vergleich zur Durchtrittsöffnung 33 deutlich vergrößerte druckbeaufschlagte Fläche unter der Deckfläche 37. In diesen Fällen wird nur die Deckfläche 37 der Umschaltscheibe von der Distanzscheibe 30 abgehoben, so dass Dämpfmittel in die Rinne 61 und weiter durch die Strömungsverbindungen 71 in den Arbeitsraum 11a strömen kann.

Treten größere Druckkräfte auf, so hebt die Drosselscheibe im Bereich der Aufla­ geflächen ab, wodurch das Dämpfventil 21 wirksam ist. Die Umschaltscheibe und die Haltescheibe werden ebenfalls angehoben. Bei umgekehrter Strömungs­ richtung wird die Deckfläche durch den Druck in der Rinne 61 auf die Drossel­ scheibe gedrückt, so dass das Dämpfmedium nur durch die Durchtrittsöffnun­ gen 35b in den Arbeitsraum 11b strömen kann.

In der Fig. 3 ist die Umschaltscheibe 31 als Einzelteil dargestellt. Die Umschalt­ scheibe verfügt über eine erste äußere Ausnehmung 53, die spiralförmig über einen Winkel von ca. 450° ausgeführt ist. Die spiralförmige Ausnehmung bildet zwischen ihrem Anfangspunkt 53a und ihrem Endpunkt 53b einen in Umfangs­ richtung verlaufenden Federabschnitt 53c, der in derselben Planlage wie die an­ deren Flächenteile der Umschaltscheibe liegt. Je größer der Abstand des An­ fangs- und Endpunktes in Umfangsrichtung, um so länger wird der Federab­ schnitt und damit um so kleiner die Federrate des Federabschnitts. Auch die radi­ al weiter innen liegende Ausnehmung 55 ist spiralförmig und in ihrem Umfangs­ winkel in vergleichbarer oder gleicher Größe wie die äußere Ausnehmung 53. Zwischen einem Anfangspunkt 55a und einem Endpunkt 55b der inneren spiral­ förmigen Ausnehmung bildet sich wiederum ein in Umfangsrichtung verlaufender innerer Federabschnitt 55c. Stellt man sich die äußere und die innere Spannflä­ che 49 und 51, die jeweils außerhalb der spiralförmigen Ausnehmungen liegen bezogen auf die Deckfläche 37, als ortsfest vor, so kann die Deckfläche aus der Planlage abheben, wobei sich die Federabschnitte wie Blattfedern verformen. Durch die Federabschnitte ist stets eine, wenn auch geringe Vorspannung der Deckfläche zur Drosselscheibe gewährleistet, so dass die Deckfläche stets in Richtung der Drosselscheibe zurückbewegt wird und ein definiertes Schließver­ halten vorliegt.

Die Anfangs- und Endpunkte der spiralförmigen Ausnehmungen 53; 55 sind in einer Hälfte der Umschaltscheibe zusammengefasst, damit eine möglichst große Deckfläche 37 entstehen kann. Zum besseren Verständnis sind die Voröffnungs­ querschnitte 33 in der Deckfläche eingezeichnet.

Die Fig. 4 zeigt die Drosselscheibe als Einzelteil mit ihren beiden Voröffnungs­ querschnitten 33. Damit die Drosselscheibe zu den Durchtrittsöffnungen im Ven­ tilkörper 39 ausgerichtet ist, ist der Innendurchmesser profiliert ausgeführt, wo­ bei eine Profilabweichung 73 eingesetzt wird. Im übrigen ist die Umschaltscheibe identisch wie die Drosselscheibe profiliert. Die Profilierung ist nutartig ausgeführt, wobei die Voröffnungsquerschnitte 33 in der Drosselscheibe 29 symmetrisch zu der Profilstelle mit der Profilabweichung 73 ausgerichtet ist, um keinesfalls eine vertauschte Einbaulage der Voröffnungsquerschnitte zu den Durchtrittsöffnungen 35a; 35b im Ventilkörper aufkommen zulassen. Damit sich die Drosselscheibe mit vergleichsweise geringen Kräften elastische verformen kann wird der innere Bereich von dem Randbereich durch die C-förmige Ausnehmung 34 getrennt.

In der Fig. 5 wird ergänzend zur Fig. 2 die Haltescheibe 57 gezeigt, wobei in die­ ser Darstellung die Formschluss-Segmente 65, die die Umschalt-, die Distanz­ scheibe und die Drosselscheibe durchgreifen, deutlicher sichtbar sind. Die bereits genannte Profilabweichung 73 ist auch beiden Formschluss-Segmenten vorhan­ den. Des weiteren wird erkennbar, dass die Strömungsverbindungen in Umfangs­ richtung ausgeführte Schlitze sind. Die Rinne 61 ist vollständig umlaufend ge­ formt.

Damit bei der Montage das Einfädeln der Haltescheibe der Umschaltscheibe und der Drosselscheibe erleichtert wird, können diese Scheibe Kerben 75 oder ähnli­ che Markierungen aufweisen, die die vorbestimmte Einbaulage erkennen lassen.

In der Fig. 6 soll das Gegenprofil 67 im Ventilkörper 39 offenbart werden, das mit den Formschluss-Segmenten der Haltescheibe eine Formschlussverbindung eingeht, und die gesamte Scheibenanordnung orientiert.

Bei relativ kleinen Durchtrittsöffnungen 35a; 35b kann man u. U. auf eine Dros­ selscheibe verzichten, wenn die innerer oder äußere Ausnehmung der Umschalt­ scheibe im Bereich der Ventilauflagefläche liegt. Die jeweils andere Ausnehmung bildet dann mit ihrer sichelförmigen Überdeckung mit der Durchtrittsöffnung 35 den Voröffnungsquerschnitt 33, wobei man darauf achten muss, dass die Um­ schaltscheibe nicht so elastisch ist, dass sie bei einer Anströmung aus Richtung des Arbeitsraums 11a vom Druck der Strömung in die Durchtrittsöffnung ge­ drückt wird.

Die Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Umschaltscheibe nach Fig. 3. Es werden wiederum zwei Ausnehmungen 53; 55 verwendet, die die äußere und die innere Spannfläche 49; 51 von der Deckfläche 37 trennen und Federabschnitte bilden. Ein konstruktiver Unterschied besteht darin, dass eine abschnittsweise in Um­ fangsrichtung verlaufende äußere Ausnehmung 53 einen halbgewendelten Län­ genabschnitt 54 aufweist, der einen Flächenbereich für eine c-förmig verlaufende Ausnehmung 55 begrenzt, wobei die äußere Ausnehmung konzentrisch zur inne­ ren Ausnehmung einen ebenfalls c-förmige Ausgestaltung aufweist und ab dem halbgewendelten Abschnitt radial innerhalb der inneren Ausnehmung verläuft. Durch die c-förmige Ausgestaltung der Ausnehmungen 53 und 55 mit den End­ punkten 53a; 53b; 55a; 55b entsteht ein Verbindungssteg 58, der diametral zu den Deckflächen 37 ausgerichtet ist. Insgesamt verlaufen die Ausnehmungen symmetrisch zu dem Verbindungssteg.

Wie man aus der beispielhaften Darstellung erkennt, sind die Ausnehmungen 53; 55 auf drei konzentrischen Teilkreisen angeordnet. Dadurch ergibt sich ein Flä­ chenzuwachs für die verbleibende äußere Spannfläche 49, die deshalb eine höhe­ re Festigkeit aufweist.

In der Fig. 8 ist die Distanzscheibe 30 als Einzelteil dargestellt. Das Innenprofil entspricht dem der Umschaltscheibe 29. Mehrere Aussparungen 32, die radial und in Umfangsrichtung kleiner sind als die Deckfläche 37 der Umschaltscheibe, sind in Umfangsrichtung angeordnet. Wie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, können sich die Aussparungen auch in den Bereich der Federelemente 54 entsprechend der halbgewendelten Längenabschnitte 54 erstrecken. Dadurch wird die druckbe­ aufschlagte Fläche an der Umschaltscheibe nochmals vergrößert.

Claims (5)

1. Umschaltventil, umfassend einen Ventilkörper, der zwei mit einem Fluid ge­ füllte Arbeitsräume trennt, wobei im Ventilkörper Durchtrittsöffnungen aus­ geführt sind, die bis auf einen Voröffnungsquerschnitt abgedeckt werden, wobei der Voröffnungsquerschnitt von einer Umschaltscheibe in Abhängigkeit der Durchflussrichtung im Umschaltventil gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Umschaltscheibe (29) und dem Voröffnungsquerschnitt mindestens eine Distanzscheibe (30) angeordnet ist, die mindestens eine Aussparung (32) aufweist, die mit dem Voröffnungsquerschnitt (33) in Strö­ mungsverbindung steht, wobei die Aussparung (32) eine größere Flächen­ ausdehnung aufweist als der Voröffnungsquerschnitt (33).

2. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe (30) lageorientiert zu dem Voröffnungsquer­ schnitt (33) angeordnet ist.

3. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltscheibe (29) durch Ausnehmungen (53; 55) voneinander getrennte Spannflächen (49; 51) und Deckflächen (37) aufweist, wobei die Deckflächen (37) über Federabschnitte (53c; 54) eine Hubbewegung relativ zu den Spannflächen (49; 51) ausführen können und die Aussparungen (32) in der Distanzscheibe (30) in Überdeckung mit mindestens einer Deckflä­ che (37) steht.

4. Umschaltventil nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe (30) zusätzliche Aussparungen (32) im Bereich von mindestens einem Federabschnitt (53c; 54) aufweist.

5. Umschaltventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (32) in der Distanzscheibe (30) und die Deckflä­ chen (37) in der Umschaltscheibe (29) in Umfangsrichtung verlaufen.