DE102004008648B4

DE102004008648B4 - Ventil, insbesondere Dämpfventil für einen Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102004008648B4
Application number: DE200410008648
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Wirth (FH); Wilhelm Dipl.-Ing. Broocks
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-02-21
Filing date: 2004-02-21
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2024-02-22
Also published as: DE102004008648A1; US20050183777A1; FR2866688A1

Abstract

Ventil, insbesondere Dämpfventil für einen Schwingungsdämpfer, umfassend einen Ventilkörper, der mindestens einen Strömungskanal mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung aufweist, durch den ein Arbeitsmedium von einer Seite auf die andere Seite des Ventilkörpers strömt, wobei die Eintritts- und/oder die Austrittsöffnung im Vergleich zum Strömungskanal einen größeren Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (32a) ein Strömungsumlenkungsprofil (33a, 33b) aufweist, das als ein Stufenprofil ausgeführt ist und eine Wirbelströmung erzeugt, deren Stromfäden ein Fluidpolster für das Arbeitsmedium bilden, wobei das Strömungsumlenkungsprofil (33a) einer Ventilsitzfläche (27a) vorgelagert ist und in die Ventilsitzfläche (27a) für eine Ventilscheibe (23a) übergeht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein Arbeitsmedium, das durch ein Ventil strömt, unterliegt einem Strömungswiderstand, der u. a. von der Geometrie eines Strömungskanals bestimmt wird. Ungünstige Strömungsverhältnisse in einem Strömungskanal können Geräusche erzeugen, die je nach technischer Anwendung nicht toleriert werden können. Bei einem Dämpfventil werden deshalb speziell geformte Strömungskanäle ausgeführt. Beispielhaft wird auf die DE 100 11 168 C1 verwiesen, die ein Dämpfventil für einen Schwingungsdämpfer beschreibt, wobei das Dämpfventil trichterförmige Ein- und/oder Auslassöffnungen an den Strömungskanälen aufweist. Die Trichterform verlangt einen vergleichsweise großen Bauraum, der bei einem Dämpfventil in einem Schwingungsdämpfer vielfach nicht zur Verfügung steht, da ansonsten die Wandstärken am Dämpfventil zu dünn ausgeführt werden müssten. Das Dämpfventil in der DE 100 11 168 C1 besteht aus einem Sinterkörper, bei dem mit vergleichsweise geringem Aufwand auch kompliziertere Formgebungen möglich sind.
Die DE 197 35 249 C1 oder die DE 198 46 460 A1 beschreiben einen Kolben, der als ein Feinstanzteil ausgeführt ist. Beim Stanzen entstehen an den erhabenen Ventilsitzflächen zwangsläufig Radien am Übergang zu den Strömungskanälen, die sehr abhängig von den Fertigungstoleranzen sind. Dadurch können sich Geräusche und ein unpräzises Ventilscheibenabhebverhalten einstellen. Diese Mängel versucht man dadurch zu beheben, indem man die Ventilsitzflächen überschleift, wobei diese Fertigungsoperation teuer ist und noch ein anschließendes Entgraten erfordert. Der Grat am Kolben wird maschinell in einem Gleitschleifarbeitsschritt entfernt. Beim Gleitschleifen werden die Kolben in einem Schüttelbehälter zusammen mit Schleifkörpern und einer Schleifflüssigkeit permanent bewegt, wobei die Schleifgrate abgestoßen werden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht sonderlich vorteilhaft für die Ventilsitzflächen, deren Oberflächenqualität herabgesetzt werden kann.
Alternativ zum Schleifen ist ein Prägen der Ventilsitzflächen denkbar, doch können bei ungünstigen Toleranzen undefinierte Geometrien im Strömungsweg von den Strömungskanälen bis zu den Ventilsitzflächen vorliegen.
Die Entgegenhaltung DE 197 12 640 A1 beschreibt ein Dämpfventil mit einem Strömungskanal, an dessen, bezogen auf die Ventilscheibe, Eintrittsseite ein Voröffnungsquerschnitt eingearbeitet ist, der eine Geräuschbildung durch eine Anpassung der Voröffnung verhindert soll. Die Voröffnung ist nur als ein kleiner Schlitz ausgeführt und einer Wirbelkammer vorgeschaltet. Der Untersteg mit dem Voröffnungsquerschnitt stellt keine Ventilsitzfläche dar. Die konzentrischen Ringstege bilden für die Ventilscheiben jedoch eine Ventilsitzfläche, so dass die Wirbelkammer der Ventilsitzfläche nachgelagert ist. Daraus folgt, dass die Wirbelkammer keinen Einfluss auf das Öffnungsverhalten der Ventilscheiben ausübt.
Die DE 27 27 407 A1 schlägt eine Lösung zur Unterbindung der Geräuschentwicklung in einem Dämpfventil vor, doch wird als Ursache für die Geräusche stets von einer Kavitation im Dämpfventil ausgegangen. Kavitation entsteht jedoch immer dann, wenn ein Unterdruck vorliegt. Diesen Unterdruck will man dadurch verhindern, dass mehrere Wirbelkammern in Reihe angeordnet sind und eine Strömungsverbindung zwischen den Wirbelkammern vorliegt. Dabei wird immer von einer ersten geschlossenen Ventilsitzfläche ausgegangen, der sich eine Wirbelkammer anschließt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strömungskanal innerhalb eines Ventilkörpers derart zu verbessern, dass eine Geräuschbildung minimiert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das Fluidpolster "lagert" praktisch die Strömung und sorgt für eine verwirbelungsfreie oder zumindest verwirbelungsarme Strömung, so dass Strömungsgeräusche am Ventil minimiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Strömungsumlenkungsprofil als ein Stufenprofil ausgeführt. Ein Stufenprofil kann auch bei einem gestanzten Ventilkörper sehr präzise hergestellt werden.
Des weiteren kann ein Übergang zwischen der Stufenlänge und der Stufenhöhe ausgerundet sein, um eine gezielte Wirbelströmung zu erreichen.
Versuche haben ergeben, dass ein Stufenprofil, bei der die Stufenhöhe zur Stufenlänge ein Steigungsverhältnis zwischen 1:1 und 1:6 aufweist, besonders günstige Strömungsverhältnisse erzeugt.
Alternativ kann das Strömungsumlenkungsprofil von einer Wirbelkammer gebildet werden, die in die Wandung des Strömungskanals eingeformt ist.
Um der Strömung innerhalb der Wirbelkammer einen gezielten Drall vorzugeben, weist die Wirbelkammer in Strömungsrichtung einen ausgerundeten Boden auf.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist in einem Differenzmaß zwischen einer Vorder- und einer Hinterkante des Strömungsumlenkungsprofils für die Stufenhöhe ein Bearbeitungszuschlag für einen Prägearbeitsschritt an der Ventilsitzfläche enthalten. Anstelle eines Schleifarbeitsschrittes für die Herstellung einer definierten Ventilsitzfläche kann ein deutlich kostengünstigerer Prägearbeitsschritt durchgeführt werden, der keinerlei Nacharbeit der Ventilsitzfläche erfordert.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 Anwendungsbeispiel des Ventilkörpers in einem Schwingungsdämpfer
2 Vergrößerte Darstellung des Ventilkörpers in der Bauform eines Kolbenventils nach 1
3 u. 4 Detaildarstellung des Strömungskanals im Ventilkörper
Die 1 zeigt beispielhaft ein Kolben-Zylinder-Aggregat 1 in der Ausführung eines Einrohrschwingungsdämpfers. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch bei anderen Kolben-Zylinder-Aggregaten anwenden.
Der Einrohrschwingungsdämpfer 1 besteht im wesentlichen aus einem Druckrohr 3, indem ein Ventilkörper in der Bauform eines Kolbens 5 an einer Kolbenstange 7 axial beweglich angeordnet ist. An der Austrittsseite der Kolbenstange 7 verschließt eine Kolbenstangenführung 9 einen mit Dämpfmittel gefüllten Arbeitsraum 11, der durch einen Trennkolben 13 von einem Gasraum 15 getrennt ist, der endseitig einen Boden 17 mit Auge 19 aufweist.
Bei einer Kolbenstangenbewegung wird Dämpfmedium durch Dämpfventile 21a; 21b im Kolben 5, die von Ventilscheiben 23 gebildet werden, verdrängt. Ein Kolbenring 25, der eine Umfangsfläche des Kolbens 5 abdeckt, verhindert ein seitliches Umströmen des Kolbens.
In der 2 ist der Kolben 5 als Ventilkörper detailliert dargestellt. Für beide Durchströmungsrichtungen werden Dämpfventile 21a; 21b mit Ventilscheiben 23a; 23b eingesetzt, die auf Ventilsitzflächen 27a; 27b vorgespannt sind. Die Ventilscheibe 23a; 23b ist durch mindestens eine weitere Feder 29a; 29b auf die Ventilsitzfläche vorgespannt. Es besteht auch die Möglichkeit, auf eine separate Feder zu verzichten und eine elastische Ventilscheibe zu verwenden. Der Ventilkörper 5 besteht aus einem Präge-Stanzteil, dessen Ventilsitzflächen durch einen Prägearbeitsschritt kalibriert werden.
Die 3 zeigt einen Ausschnitt des Ventilkörpers 5 gemäß der 2 im Bereich eines Strömungskanals 31a oder 31b und dem Übergang zur Ventilsitzfläche 27a. Die Pfeile symbolisieren die Richtung der Geschwindigkeit des Arbeitsmediums, das durch den Strömungskanal 31a fließt. Eine Austrittsöffnung 32a des Strömungskanals 31a verfügt über ein Strömungsumlenkungsprofil 33a, mit dem gezielt eine Wirbelströmung erzeugt werden soll, so dass die Stromfäden am Strömungsumlenkungsprofil 33a ein Fluidpolster 35a für das Arbeitsmedium bilden. Das Strömungsumlenkungsprofil 33a ist an der Austrittsöffnung 32a mit seiner Hinterkante 47 unmittelbar der Ventilsitzfläche 27a vorgelagert. In dieser Ausführungsvariante ist das Strömungsumlenkungsprofil als ein Stufenprofil ausgeführt. Ein Winkel α zwischen dem Profil der Austrittsöffnung 32a und dem Strömungsumlenkungsprofil 33a ist derart gewählt, dass an einer Vorderkante 43 ein Strömungsabriss erfolgt und sich ein Teil des Volumens aus dem Strömungskanal in das Strömungsumlenkungsprofil ergießt. Dabei stellt sich eine Wirbelströmung ein. Versuche haben ergeben, dass das Stufenprofil besonders wirksam ist, wenn das Steigungsverhältnis der Stufenhöhe 37 zu Stufenlänge 39 zwischen 1:1 und 1:6 liegt. Besonders gute Ergebnisse werden mit einem Stufenverhältnis von 1:2 bis 1:4 erreicht. Diese Bandbreite erlaubt die Möglichkeit, einen Bearbeitungszuschlag 41 für den Prägearbeitsschritt vorzuhalten, so dass Toleranzen in der Bauhöhe des Ventilkörpers 5 kompensiert werden können. Das Stufenprofil kann ebenfalls sehr genau durch einen Prägearbeitsschritt eingehalten werden. Ein ausgerundeter Übergang 44 zwischen der Stufenlänge 39 und der Stufenhöhe 37 verbessert zusätzlich die Strömungsverhältnisse im Hinblick auf einen Wirbelstrom.
Mit der 4 soll dargestellt werden, dass auch andere Formen eines Strömungsumlenkungsprofils 33a denkbar sind. In der Austrittsöffnung 32a ist eine Wirbelkammer ausgeformt, deren Vorderkante 43 in Strömungsrichtung einen Höhenversatz 45 zur Hinterkante 47 aufweist. Die Vorderkante bildet wiederum einen Winkel α zur Austrittsöffnung, der die Strömung an der Austrittsöffnung 32a teilweise abreißen und in die Wirbelkammer einströmen lässt. Die Wirbelkammer weist einen in Strömungsrichtung ausgerundeten Boden 49 auf, so dass ein Wirbel entsteht, auf dessen Rückseite die restlichen Volumenanteile des Arbeitsmedium entlang gleiten.
Das Strömungsumlenkungsprofil 33a ist als ein Mikroprofil im Größenvergleich zur Austrittsöffnung 32a oder dem Querschnitt des Strömungskanals 31a zu betrachten. So beträgt beispielsweise die Stufenlänge 39 in der Variante nach 3 ca. 0,3 mm und die Stufenhöhe ca. 0,1 mm. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, dass die Austrittsöffnung 32a mit einem kleinen Übergangsradius oder Übergangsschräge zur Ventilsitzfläche ausgeführt sein kann und unter Verwendung des Strömungsumlenkungsprofils 33a trotzdem sehr gleichmäßige Strömungsverhältnisse an der Ventilsitzfläche 27a vorliegen.

Claims

Ventil, insbesondere Dämpfventil für einen Schwingungsdämpfer, umfassend einen Ventilkörper, der mindestens einen Strömungskanal mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung aufweist, durch den ein Arbeitsmedium von einer Seite auf die andere Seite des Ventilkörpers strömt, wobei die Eintritts- und/oder die Austrittsöffnung im Vergleich zum Strömungskanal einen größeren Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (32a) ein Strömungsumlenkungsprofil (33a, 33b) aufweist, das als ein Stufenprofil ausgeführt ist und eine Wirbelströmung erzeugt, deren Stromfäden ein Fluidpolster für das Arbeitsmedium bilden, wobei das Strömungsumlenkungsprofil (33a) einer Ventilsitzfläche (27a) vorgelagert ist und in die Ventilsitzfläche (27a) für eine Ventilscheibe (23a) übergeht.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenprofil bei der mit Stufenhöhe (37) zur Stufenlänge (39) ein Steigungsverhältnis zwischen 1:1 und 1:6 aufweist.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang (44) zwischen der Stufenlänge (39) und der Stufenhöhe (37) ausgerundet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsumlenkungsprofil (33a; 33b) von einer Wirbelkammer gebildet wird, die in die Wandung des Strömungskanals (31a; 31b) eingeformt ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkammer in Strömungsrichtung einen ausgerundeten Boden (49) aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Differenzmaß (37; 45) zwischen einer Vorder- (43) und einer Hinterkante (47) des Strömungsumlenkungsprofils (33a; 33b) ein Bearbeitungszuschlag für einen Prägearbeitsschritt an der Ventilsitzfläche enthalten ist.