DE102007005466A1

DE102007005466A1 - Elektrisch ansteuerbares Ventil

Info

Publication number: DE102007005466A1
Application number: DE102007005466A
Authority: DE
Inventors: Marcus Forche; René LENZ; Christian Courth; Axel Nieder-Vahrenholz; Jan Hoffmann; Harald Dr. Biller; Jochen Klein; Fabian Wey
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch ansteuerbares Ventil zur variablen Verstellung der Dämpferkennlinie eines Schwingungsdämpfers, mit einem Magnetantrieb zur Betätigung eines in einem Gehäuse (33) geführten Ventilschiebers (3) in eine Bewegungsrichtung, sowie mit einem zur variablen Volumenstromregelung zwischen einem Ventileinlass (2) und einem Ventilsauslass (12) im Gehäuse (33) angeordneten Durchlass 41, dessen Öffnungsquerschnitt mittels einer Steuerkante (10) des Ventilschiebers (3) beliebig veränderbar ist, wobei im Gehäuse (33) Mittel (1, 4, 6, 39) vorgesehen sind, durch die abhängig vom Druck im Ventileinlass (2) der Ventilschieber (3) in eine Stellung betätigbar ist, in der eine Rückführung des Drucks über den von der Steuerkante (10) des Ventilschiebers (3) freigebbaren Öffnungsquerschnitt zum Ventilauslass (12) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch ansteuerbares Ventil zur variablen Verstellung der Dämpferkennlinie eines Schwingungsdämpfers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 10 2006 014 463 A1 ist bereits ein Ventil der gattungsbildenden Art bekannt, dessen Ventilschieber zur elektromagnetischen Betätigung direkt mit einem Magnetanker verbunden ist, wobei eine am Ventilschieber vorgesehene Steuerkante einen den Ventileinlass mit einem Ventilauslass verbindender Durchlass im Gehäuse in seinem Durchlassquerschnitt beliebig zu verändern vermag. Die Begrenzung des hydraulischen Drucks erfolgt mittels eines zwischen dem Ventilschieber und einer Schieberführung eingesetzten Druckbegrenzungsventils, das als federbelastetes Kugelrückschlagventil ausgeführt ist. Die Feder ist zwischen dem Kugelrückschlagventil und dem Ventilschieber angeordnet, wodurch sich die Wirkung der Federvorspannkraft auf das Kugelrückschlagventil abhängig von der Relativbewegung des Ventilschiebers gegenüber der Schieberführung verändert.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil der angegebenen Art mit möglichst geringem Aufwand derart zu gestalten, dass unter Verwendung einfacher, funktionssicherer Mittel eine gleichbleibend hohe Regelungsgüte als auch durch geeignete Maßnahmen am Ventil gute Voraussetzungen zur Beeinflussung der Dämpfungscharakteristik erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Ventil der angegebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der 1–10 hervor.
Es zeigen:
1 ein elektrisch voll bestromtes Ventil im Längsschnitt mit einem Druckrückführungspin zur Positionierung des Ventilschiebers,
2 das Ventil nach 1 in einer hydraulisch initiierten Mittenstellung des Ventilschiebers,
3 das Ventil nach 1 in einer hydraulisch initiierten oberen Endlage des Ventilschiebers,
4 eine Perspektivansicht zur Verdeutlichung der Steuerkantenkontur des aus 1–3 bekannten Ventilschiebers,
5 eine Variante des aus 1–4 bekannten Ventils mit einem Druckrückführungspin, der mit wenigstens einer Steuernut versehen ist, die in eine Steueröffnung einer in der Schieberführung fixierten Führungshülse hineinragt,
6 das aus 5 bekannte Ventil in einer hydraulisch initiierten Stellung des Ventilschiebers, in der die Steuernut gerade freigegeben ist,
7 das Ventil nach 5 in einer Zwischenstellung des Ventilschiebers,
8 das Ventil nach 5 mit dem Ventilschieber in der oberen Endlage,
9 im Längsschnitt eine Abwandlung des aus 1 bekannten Ventils mit einem autoreversierenden Magnetantrieb,
Bevor auf die Einzelheiten der Erfindung Bezug genommen wird, sollen zunächst die Gemeinsamkeiten sämtlicher anhand den 1–9 ersichtlichen Ventilvarianten herausgestellt werden.
Die in den 1–9 abgebildeten Ventile weisen jeweils einen Magnetantrieb (bestehend aus einem Magnetanker 5 und einer Magnetspule 17, 18) zur direkten Betätigung eines in einem Gehäuse 33 geführten Ventilschiebers 3 auf, mit einem zur variablen Volumenstromregelung zwischen einem Ventileinlass 2 und einem Ventilauslass 12 im Gehäuse 33 angeordneten Durchlass 41, dessen Öffnungsquerschnitt mittels einer am unteren Ende des Ventilschiebers 3 angeordnete Steuerkante 10 beliebig veränderbar ist. Das Gehäuse 33 ist als Patrone in einen seitlichen Anschlussstutzen eines Stoßdämpfers eingeschraubt, wobei der Ventileinlass 2 unmittelbar in eine im Innenrohr des Stoßdämpfers vorgesehene Kammer und der Ventilauslass 12 in eine vom Außenrohr des Stoßdämpfers begrenzte Kammer einmündet. Der Ventilschieber 3 ist als Kolbenschieber ausgeführt, dessen Kolbenboden von Druckausgleichsöffnungen durchsetzt ist. Da der Ventilschieber 3 auf einer einlassseitig im Gehäuse 33 befestigten rohrförmigen Schieberführung 9 innenzentriert ist, besteht zwischen der Außenfläche des Ventilschiebers 3 und dem Gehäuse 33 ein Zwischenraum, der sich bis zum Magnetanker 5 erstreckt. Der Zwischenraum ist dem Zustand, wenn der Ventilschieber 3 den Durchlass 41 in der Schieberführung 9 verschlossen hält, im Wesentlichen dem am Ventilauslass 12 herrschenden Druck ausgesetzt. Der Ventilschieber 3 ist auf der Schieberführung 9 metallisch gedichtet, wobei der Ventilschieber 3 in den Ausführungsformen nach 5–8 vorsorglich mit einer Drainagebohrung 7 versehen ist.
Durch die im Nachfolgenden anhand den 1–9 ausgeführten Mittel 1, 4, 6, 39 ist der Ventilschieber 3 abhängig vom Druck im Ventileinlass 2 in eine Stellung betätigbar, in der eine Rückführung des Drucks über den von der Steuerkante 10 freigebbaren Öffnungsquerschnitt zum Ventilauslass 12 derart erfolgt, dass sich mittels des vorgestellten Ventils ein Druck-/Volumenverlauf darstellen lässt, der den Anforderungen an einen hydraulisch Fahrzeugstoßdämpfer gerecht wird.
Nachfolgend werden die in 1–9 abgebildeten Ventilvarianten mit den gewählten Druckregelprinzipien bezüglich ihrer wesentlichen Einzelheiten erläutert. Die abgebildeten Ventilvarianten gelangen als Druckregelventile in Fahrzeugstoßdämpfern zum Einsatz.
Die 1 zeigt als eine erste Ausführungsvariante der Erfindung ein elektrisch ansteuerbares Ventil in der elektromagnetisch voll erregten Stellung, bei dem die hydraulische Drucksteuerung nicht über ein als Pilotventil ausgeführtes Druckbegrenzungsventil, sondern über einen Druckrückführungspin 1 erfolgt. Der im Ventileinlass 2 herrschende hydraulische Druck wirkt auf die Querschnittsfläche des Druckrückführungspins 1 und schiebt den Ventilschieber 3 entgegen gesetzt zur Wirkung des Magnetantriebs mit steigendem hydraulischem Druck immer mehr nach oben in Richtung der am Gehäuse 33 anliegenden Magnetspule 17, wodurch infolge des hydraulischen Drucks die Steuerkante 10 des Ventilschiebers 9 die über den Umfang der Schieberführung 9 gleichmäßig verteilte Durchlässe 41 freigibt.
Die 2 und 3 verdeutlichen die druckabhängige Freigabe der Durchlässe 41 durch den Ventilschieber 3, wobei 2 den Ventilschieber 3 zwischen den Endlagen exemplarisch in einer Mittenstellung zeigt, während 3 die obere Endlage des Ventilschiebers 9 zeigt, in der die Durchlässe 41 maximal geöffnet sind.
Das erfindungswesentliche Mittel ist somit als ein in einer Durchgangsbohrung der rohrförmigen Schieberführung 9 axial beweglich geführter Druckrückführungspin 1 ausgeführt, dessen dem Ventileinlass 2 zugewandte Stirnfläche zur Betätigung des Ventilschiebers 3 dem Druck im Ventileinlass 2 permanent ausgesetzt ist, wobei zur Grundpositionierung des Ventilschiebers 3 in einer Stellung, in welcher der Durch lass 41 von der Steuerkante 10 freigegeben ist, als weiteres Mittel eine zwischen der Schieberführung 9 und dem Ventilschieber 3 eingespannten Feder 4 angeordnet ist.
Der Ventilschieber 3 hat bevorzugt keine gerade Steuerkante 10, sondern eine Kronenkontur, wie in 4 dargestellt ist. Bei entsprechender Wahl der zwischen dem Ventilschieber 3 und der Schieberführung 9 angeordneten Feder 4, der Querschnittsfläche des Druckrückführungspins 1 und der Kronenkontur des Ventilschiebers 3, lässt sich eine Kennlinienschar darstellen, welche die Anforderungen an ein Stoßdämpferregelventil recht gut erfüllt. Zudem erhöht die Kronenkontur auch generell die Feinfühligkeit des Ventils, denn durch die Kronenkontur an der Steuerkante 10 wird beim Anheben des Ventilschiebers 3 zunächst nur eine kleine Durchflussfläche freigegeben, die sich mit zunehmenden Öffnungshub dann immer schneller vergrößert. Im Bereich kleiner Durchflussflächen, die beim Einsatz des Ventils in einem Stoßdämpfer hohe Dämpfungswerte bewirken, muss der Ventilschieber 3 zwangsläufig nicht so genau positioniert werden, wie das mit einer Steuerkante 10 der Fall wäre, die nicht über eine Kronenkontur verfügt.
Die 5–8 zeigt eine Abwandlung des aus 1 bekannten Ventils, bei dem die Druckrückführung auf den Ventilschieber 3 zwar ebenfalls durch einen Druckrückführungspin 1 erfolgt, jedoch hat in der vorgeschlagenen Abwandlung des Druckrückführungspins 1, der innerhalb einer in der Schieberführung 9 fixierten Führungshülse 35 aufgenommen ist, am unteren Ende mehrere axial verlaufende Steuernuten 6, die ab einer gewissen Hubposition innerhalb einer in der Führungshülse 35 kalibrierten Öffnung eine Durchflussfläche freigeben. Ist der Ventilschieber 3 entgegen der Wirkung des Magnetantriebs um eine gewisse Strecke angehoben, strömt das am Ventileinlass 2 anstehende Druckmittel, in vorliegendem Fall das Öl des Stoßdämpfers, durch diese Durchflussfläche. Durch diesen Volumenstrom wird der Ventilschieber 3 hydraulisch nach oben gedrückt und somit die gewünschte Druckbegrenzungscharakteristik des Ventils erreicht.
Die für den Einsatz bei einem Stoßdämpfer geforderte Konsistenz der Kennlinienschar wird mit dem vorgestellten Ventil dadurch erzielt, dass mit steigender elektrischen Bestromung des Magnetantriebs der Ventilschieber 3 immer mehr nach unten fährt, wodurch das Ventil eine stärkere Drosselwirkung aufweist. Durch dieses „Nach-unten-Fahren" erfolgt die Freigabe des in der Schieberführung 9 angeordneten Durchlasses 41 durch die Steuerkante 10 auch bei immer höheren hydraulischen Drücken, sodass einer hohen Drosselwirkung im Steuerquerschnitt der Steuernuten 6 zwangsläufig auch ein hoher Begrenzungsdruck zugeordnet ist.
Zur Grundpositionierung des Ventilschiebers 3 in seiner den Durchlass 41 zum Ventilauslass 12 freigebenden Stellung ist zwischen dem Druckrückführungspin 1 und der Schieberführung 9 eine Feder 4 eingespannt, deren von der Schieberführung 9 abgewandtes Federende sich an einem mit dem Druckrückführungspin 1 verbundenen Anschlag 40 abstützt, der den Boden des Ventilschiebers 3 mittelbar über den mit dem Magnetanker und dem Ventilkolben 3 verbundenen Stößel kontaktiert.
Aus 5–8 geht ferner jeweils eine Drainagebohrung 7 hervor, die den Ventilschieber 3 etwa auf halber Höhe durchquert. Die Drainagebohrung 7 steht mit der an der Schieberführung 9 eingedrehten Drainagenut 8 in Verbindung. Besonders bei hohen Hydraulikdrücken am Ventileinlass 2 fließt durch den Spalt zwischen dem Ventilschieber 3 und der Schieberführung 9 ein starker Leckölstrom von der Steuerkante 10 in Richtung der im Oberteil der Schieberführung 9 gelegenen Kammer 11. Dieser Leckölstrom ist von der momentanen Viskosität des Öles und den Toleranzen von Ventilschieber 3 und Schieberführung 9 abhängig. Der Leckölstrom ist somit eine Störgröße, welche die Güte der hydraulischen Druckrückführung beeinflusst. Durch die Drainagenut 8 wird dieser Leckölstrom abgefangen und kann dann durch die Drainagebohrung 7 direkt in Richtung des Ventilauslasses 12 abfließen. Durch diese Maßnahme führt zu einer Verbesserung der Regelgenauigkeit. Bei Wunsch oder Bedarf kann die Drainagebohrung 8 alternativ selbstverständlich auch im Ventilschieber 3 angeordnet werden.
Die 5 zeigt den Ventilschieber 3 im elektrisch voll bestromten Zustand in der unteren Endlage, in der die Durchlässe 41 von der Steuerkante 10 verschlossen sind. In 6 werden die Durchlässe 41 von der Steuerkante 10 gerade freigegeben, während 7 den Ventilschieber 3 in einer weiter angehobenen Stellung zeigt, bis schließlich die in 8 abgebildete obere Endlage des Ventilschiebers 9 erreicht ist, in der die Durchlässe 41 maximal geöffnet sind.
Die 9 zeigt eine um ein magnetisches Failsafe-Prinzip erweiterte Variante des aus 1 bekannten Ventils, wonach der Magnetanker aus einem oberen und einem unteren Ankerteil 19, 23 besteht, die infolge der Zweiteiligkeit unabhängig voneinander betätigbar sind. Mit dem oberen Ankerteil 19 ist der Druckrückführungspin 1 verbunden. Dieser obere Ankerteil 19 ist in Verbindung mit dem Rückführungspin 1 zwischen zwei relativ harten Federn 21, 22 in einer mittleren Position gehalten (Kraftgleichgewicht), welche die Fail safe-Position darstellt. Mit dem unteren Ankerteil 23 ist über ein Zwischenstück 24 der Ventilschieber 3 verbunden. Eine relativ weiche Feder 26 hält den unteren Ankerteil 23 im unbestromten Zustand der Magnetspule 17 auf Distanz zum oberen Ankerteil 19. Die Distanz wird durch eine Anschlagscheibe 27, die auf dem Druckrückführungspin 1 aufgepresst ist, bestimmt. Das mit dem Ventilschieber 3 und dem unteren Ankerteil 19 verbundene Zwischenstück 24 stützt sich hierzu auf der Anschlagscheibe 27 ab. Somit ist über die Failsafe-Position des oberen Ankerteils 19 auch die Failsafe-Position des unteren Ankerteils 23 bestimmt. Gleichfalls funktioniert auch die normale Druckrückwirkung, die für die Charakteristik der Ventilkennlinien wichtig ist, entsprechend der Grundausführung des in 1 dargestellten Ventils. Das obere Ankerteil 19 nimmt infolge der Abstützung der Anschlagscheibe 27 am Zwischenstück 24 auch den Ventilschieber 3 mit, wenn es vom Druckrückwirkungspin 1 nach oben gedrückt wird.
Um das nach 9 elektromagnetisch nicht erregte Ventil von der Failsafe-Position in eine andere Arbeitsposition zu schalten, bestromt man die Magnetspule 17. Die Proportionalisierungskontur 28, die am unteren Ende des Magnetjoches vorhanden ist, zweigt einen Teil der Feldlinien, die aus dem unteren Ende des unteren Ankerteils 23 herauslaufen, zur Seite ab. Am oberen Ende des unteren Ankerteils 23 laufen jedoch alle Feldlinien gerade zum oberen Ankerteil 19. Auf das untere Ankerteil 23 wirkt folglich eine Kraft nach oben. Unterstützend kommt hinzu, dass das untere Ankerteil 23 an seiner Unterseite 29 eine größere Querschnittsfläche hat als an seiner Oberseite 30. Auch dadurch wirkt nach den physikalischen Gesetzen für Magnetfelder an seiner Oberseite 30 eine größere Kraft als an seiner Unterseite 29. Das untere Ankerteil 23 wird also bei Erregung der Magnetspule 17 gegen die relativ weiche Feder 26 nach oben gezogen, bis es gegen das obere Ankerteil 19 stößt. Das obere Ankerteil 19 wird gleichzeitig gegen die beiden relativ harten Federn 21, 22 nur ein kleines Stück nach unten fahren. Damit ist die weichste Ventilstellung erreicht, denn mit dem unteren Ankerteil 23 ist auch der damit verbundene Ventilschieber 3 in seiner obersten Position angekommen (größte Ventilöffnung). Zum weiteren Verständnis ist an diesem Punkt wichtig, dass durch das Schließen des Luftspaltes zwischen unterem und oberem Ankerteil 23, 19 die Magnetkraft erheblich zunimmt. Aus der weichen Position heraus wirkt der zweiteilige Magnetanker nun wie ein ganz normaler Proportionalmagnet gegen die harten Federn 21, 22. Die Funktionalität des in 9 abgebildeten Ventils entspricht somit dem bereits in 1 dargestellten Grundprinzip des Ventils, das keine Failsafe-Funktion aufweist.

Claims

Elektrisch ansteuerbares Ventil zur variablen Verstellung der Dämpferkennlinie eines Schwingungsdämpfers, mit einem Magnetantrieb zur Betätigung eines in einem Gehäuse geführten Ventilschiebers in eine Bewegungsrichtung, sowie mit einem zur variablen Volumenstromregelung zwischen einem Ventileinlass und einem Ventilauslass im Gehäuse angeordneten Durchlass, dessen Öffnungsquerschnitt mittels einer Steuerkante des Ventilschiebers beliebig veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (33) Mittel (1, 4, 6, 39) vorgesehen sind, durch die abhängig vom im Ventileinlass (2) herrschenden hydraulischen Druck der Ventilschieber (3) in eine Stellung betätigbar ist, in der eine Rückführung des Drucks über den von der Steuerkante (10) des Ventilschiebers (3) freigebbaren Durchlass (41) zum Ventilauslass (12) erfolgt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (1, 4, 6, 39) innerhalb des kolbenförmigen Ventilschiebers (3) als auch innerhalb einer den Ventilschieber (3) aufnehmenden Schieberführung (9) angeordnet ist, auf welcher der Ventilschieber (3) mit kleinem Laufspiel aufgesetzt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als ein in einer Durchgangsbohrung der rohrförmigen Schieberführung (9) axial beweglich geführter Druckrückführungspin (1) ausgeführt ist, dessen dem Ventileinlass (2) zugewandte Stirnfläche zur Betätigung des Ventilschiebers (3) dem Druck im Ventilein lass (2) ausgesetzt ist und dass zur Grundpositionierung des Ventilschiebers (3) in der geöffneten Stellung des Durchlasses als weiteres Mittel eine zwischen der Schieberführung (9) und dem Ventilschieber (3) eingespannten Feder (4) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als ein in der rohrförmigen Schieberführung (9) axial beweglich geführter, mit axialen Steuernuten (6) versehener Druckrückführungspin (1) ausgeführt ist, durch dessen Steuernuten (6) zur hydraulischen Betätigung des Ventilschiebers (3) in die geöffnete Stellung des Durchlasses, eine kalibrierte Durchflussöffnung (39) innerhalb der Schieberführung (9) hubabhängig freigebbar ist, durch die der im Ventileinlass (2) anstehende Druck in eine zwischen dem Ventilschieber (3) und der Schieberführung (9) angeordnete Kammer (11) leitbar ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kalibrierte Durchflussöffnung (39) innerhalb einer in der Schieberführung (9) befestigten Führungshülse (35) angeordnet ist, in welcher der Druckrückführungspin (1) abschnittsweise geführt ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Grundpositionierung des Ventilschiebers (3) in seiner den Durchlass zum Ventilauslass (12) freigebenden Stellung zwischen dem Druckrückführungspin (1) und der Schieberführung (9) eine Feder (4) eingespannt ist, deren von der Schieberführung (9) abgewandtes Federende sich an einem mit dem Druckrückführungspin (1) verbun denen Anschlag (40) abstützt, der den Boden des Ventilschiebers (3) mittelbar oder unmittelbar kontaktiert.
Ventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (3) in seinem Gleitbereich entlang der Schieberführung (9) von einer Drainagebohrung (7) durchdrungen ist, die mit einer am Außenumfang der Schieberführung angeordneten Drainagenut (8) und dem Ventilauslass (12) hydraulisch verbindbar ist.
Ventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetantrieb einen oberen und einem unteren Ankerteil (19, 23) aufweist, die unabhängig voneinander betätigbar sind, wobei der obere Ankerteil (19) mit dem Druckrückführungspin (19) und der untere Ankerteil (23) mit dem Ventilschieber (3) verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Ankerteil (19) mittels zwei diametral wirkenden Federn (21, 22) in einer Mittenstellung grundpositioniert ist, und dass zwischen dem oberen und unteren Ankerteil (19, 22) eine gegenüber den beiden Federn (21, 22) weichere Feder (26) angeordnet ist, welche im elektrisch unerregten Zustand der Magnetspule (17) beide Ankerteile (19, 23) auf Abstand hält.
Ventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (3) eine zweite Steuerkante (32) aufweist, die derart bemessen ist, dass bei einem Ausfall des Magnetantriebs in der Schieberführung (9) eine zur Einstellung einer mittleren Dämpfungswirkung im Querschnitt reduzierte Steueröffnung im Durchlass (34) in Richtung des Ventilauslasses (12) freigegeben ist.