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Die
Erfindung betrifft ein Federscheibenventil, insbesondere für
den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers,
mit einer Oberfläche, die mindestens eine Ventilöffnung
enthält, mit einem Federscheibenpaket aus Federscheiben,
die in einer Ventilschließstellung die Ventilöffnung
abdecken und diese bei einer rückseitigen Druckbeaufschlagung durch
Biegung freigeben, und mit einem Anschlag zur Begrenzung der Biegung
der Federscheiben, wobei die Federscheiben und der Anschlag gegeneinander
verspannt sind und wobei das Federscheibenpaket mindestens zwei
im Durchmesser unterschiedliche Federscheiben aufweist, die eine
dem Anschlag zugewandte Stufenfläche bilden.
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Ein
Federscheibenventil mit den beschriebenen Merkmalen ist aus
DE 12 60 899 bekannt. Bei der
bekannten Ausführung ist der Anschlag als Tellerringfeder
ausgebildet, die außerhalb des Einspannbereiches gewölbt
ist. Die randseitige Krümmung der Tellerringfeder ist mittels
einer Stellbewegung eines Einstellelementes veränderbar.
Hierdurch kann die Dämpfungscharakteristik für
das Federscheibenventil beeinflusst werden. Ferner ist beschrieben,
dass sich die Federscheiben um die Wölbfläche
des Anschlagelementes herum biegen bzw. anschmiegen können,
was sich günstig auf die Lebensdauer der Ventilfederscheiben
auswirkt.
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In
der Praxis besteht der Anschlag regelmäßig aus
einer starren, ebenen Scheibe, die unter Zwischenschaltung mindestens
einer Distanzscheibe mit dem Federscheibenpaket verspannt wird.
Durch die Anzahl der Distanzscheiben kann der Öffnungshub des
Federscheibenventils verändert werden. Mit zunehmender
Anzahl der Distanzscheiben nimmt auch die Durchbiegung der Federscheiben
im Zuge einer Ventilöffnung zu. Wenn beispielsweise für
den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers
eine weiche Dämp fungscharakteristik realisiert werden soll,
die einen großen Öffnungshub unter den am Arbeitskolben
des Schwingungsdämpfers auftretenden Drücken erfordert,
sind die Federscheiben großen Biegewechselkräften
ausgesetzt. Insbesondere im Einspannbereich treten Spannungsspitzen auf,
die die Lebensdauer des Federscheibenventils nachhaltig reduzieren
und zu einem vorzeitigen Versagen des Federscheibenventils führen
können.
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Vor
diesem Hinterrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
Lebensdauer eines Federscheibenventils, welches ein Federscheibenpaket mit
weich eingestellten Federscheiben aufweist, deutlich zu verbessern.
Insbesondere soll die Verbesserung auch genutzt werden, um ein Federscheibenventil
für den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers
zu realisieren, das sich bei ausreichender Lebensdauer durch eine
Dämpfungskennlinie auszeichnet, die einen großen Öffnungshub
der Federscheiben erfordert.
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Ausgehend
von einem Federscheibenventil mit den eingangs beschriebenen Merkmalen
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die dem Federscheibenpaket zugewandte Fläche des Anschlags
eine Kontur aufweist, welche diskrete, in radialer Richtung beabstandete
Stützflächen bereitstellt, an denen die Federscheiben
im Zuge einer Ventilöffnung zur Anlage kommen, wobei zuerst
die Abstützung der Federscheibe mit dem kleinsten Durchmesser
erfolgt. Zuletzt folgt die Abstützung der Federscheibe
mit dem größten Durchmesser. Die in radialer Richtung
beabstandeten Stützflächen bilden Widerlager,
um die sich die Federscheiben herum biegen. Im Zuge einer Öffnungsbewegung
bis zum maximalen Öffnungshub verlagern sich diese Widerlager
bei zunehmender Biegung der Federscheiben radial von innen nach
außen, das heißt mit zunehmender Biegung der Federscheiben
kommen diese an unterschiedlichen, radial von innen nach außen verteilt
angeordneten Widerlagern zur Anlage und biegen sich um diese Widerlager
herum. Dies führt zu einer signifikanten Spannungsentlastung
der Federscheiben im Einspannbereich. Man beobachtet in Abhängigkeit
des Öffnungsdruckes einen Spannungsanstieg bis auf einen
relativ konstanten Wert. Dabei kann unverändert eine Strömungskennlinie realisiert
werden, die durch einen im Wesentlichen stetigen, degressiven Anstieg
des Öffnungsweges in Abhängigkeit des an den Federscheiben
anliegenden Öffnungsdruckes gekennzeichnet ist.
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Grundsätzlich
können alle oder einzelne der Federscheiben gleichzeitig
an den Stützflächen des Anschlags zur Anlage kommen.
Allerdings erfordert dies eine erhebliche Präzision hinsichtlich
der Montage und des konstruktiven Aufbaus des Federscheibenventils
sowie hinsichtlich der Fertigung der einzelnen Komponenten des Federscheibenventils.
Einfacher und daher bevorzugt ist es, wenn die Federscheiben nacheinander
an den Stützflächen zur Anlage kommen, wobei die
Federscheibe mit dem kleinsten Durchmesser als erste und die mit
dem größten Durchmesser als letzte zur Anlage
kommt.
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Im
Einspannbereich zwischen dem Anschlag und dem Federscheibenpaket
kann mindestens eine Distanzscheibe angeordnet sein. Vorteilhaft
kann der von der Distanzscheibe überbrückte Abstand
zwischen dem Anschlag und dem Federscheibenpaket geringer sein als
im Stand der Technik, der eingangs beschrieben wurde. Trotz der
geringeren Dicke der Distanzscheibe lässt sich mit dem
erfindungsgemäßen Aufbau des Dämpfungsventils
im komfortrelevanten Kolbengeschwindigkeitsbereich ein Dämpfungskraftkennlinienverlauf
realisieren, der dem Verlauf entspricht, der mit einem Dämpfungsventil
gemäß dem eingangs diskutierten Stand der Technik
erreichbar ist.
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Es
ergeben sich mehrere Möglichkeiten für die weitere
konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Anschlags. Gemäß einer ersten Ausführung
der Erfindung besteht der Anschlag aus einer Scheibenanordnung aus
mehreren aufeinander geschichteten Scheiben, die sich hinsichtlich
ihres Durchmessers unterscheiden und eine dem Federpaket zugewandte
gestufte Anschlagfläche bilden. Die den Anschlag bildende
Scheibenanordnung kann eine starre Deckscheibe und daran abgestützte Scheiben
geringerer Dicke aufweisen, wobei die Deckscheibe eine Stützfläche
für die Federscheibe mit dem größten
Durchmesser bildet und wobei die an der Deckscheibe abgestützten
Scheiben radial weiter innen liegende Stützflächen
für die mit geringerem Durchmesser ausgebildeten Federscheiben bilden.
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Eine
zweite konstruktive Ausgestaltung des Anschlags sieht vor, dass
der Anschlag aus einem Profilring besteht, der eine dem Federpaket
zugewandte gestufte Anschlagfläche aufweist. Dabei kann
der Profilring eine Aufnahmevertiefung für eine Distanzscheibe
aufweisen, an die eine Anschlagfläche mit mindestens einer
Stufe aufweisen. Die Stufe ist vorzugsweise als Schräge
ausgebildet und schließt mit Rundungen an die Stützflächen
der Anschlagfläche an. Vorteilhaft kann der Profilring
auch eine Aufnahmevertiefung für eine oder mehrere Distanzscheiben
aufweisen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigen schematisch
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1 zunächst
ein nach dem Stand der Technik ausgebildetes Federscheibenventil,
und zwar ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung,
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2 ein
erfindungsgemäß ausgebildetes Federscheibenventil,
ebenfalls ausschnittsweise und in einer Schnittdarstellung,
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3 für
die in den 1 und 2 dargestellten
Federscheibenventile den Spannungsverlauf im Einspannbereich des
Federscheibenpaketes in Abhängigkeit des auf das Federscheibenventil
wirkenden Öffnungsdrucks,
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4 für
die in den 1 und 2 dargestellten
Federscheibenventile den Verlauf des Öffnungsweges in Abhängigkeit
des auf das Federscheibenventil wirkenden Öffnungsdrucks,
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5 Modifikationen
des in 2 dargestellten Federscheibenventils, und ihre
Auswirkungen auf den Spannungsverlauf im Eingangsbereich des Federscheibenpaketes
sowie auf die Öffnungscharakteristik, jeweils gemessen
in Abhängigkeit des auf das Federscheibenventil wirkenden Öffnungsdrucks,
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6 eine
zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Federscheibenventils.
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Die 1 zeigt
hälftig ein Federscheibenventil 1' am Arbeitskolben 2 eines
hydraulischen Schwingungsdämpfers nach dem Stand der Technik. Zum
grundsätzlichen Aufbau des Federscheibenventils 1' gehören
eine Oberfläche 3, die mindestens eine Ventilöffnung 4 enthält,
ein Federscheibenpaket 5 aus Federscheiben 6, 6', 6'',
die in Ventilschließstellung die Ventilöffnung 4 abdecken
und diese bei einer rückseitigen Druckbeaufschlagung durch
Biegung freigeben, sowie ein Anschlag 7 zur Begrenzung
der Biegung der Federscheiben 6, 6', 6''.
Der Anschlag 7 besteht aus einer starren Scheibe und ist unter
Zwischenschaltung von Distanzscheiben 8 mit dem Federscheibenpaket 5 verspannt
und an der Oberfläche 3 festgelegt. Die Verspannung
sowie die Festlegung am Arbeitskolben 2 erfolgt mittels
einer Schraubverbindung 9.
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Bei
dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen
Federscheibenventil 1 besteht der Anschlag aus einer Scheibenanordnung 10 aus
mehreren aufeinander geschichteten Scheiben 11, 12, 12', die
sich hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden und eine dem
Federscheibenpaket 5 zugewandte gestufte Anschlagfläche
bilden. Die Scheibenanordnung 10 weist im Ausführungsbeispiel eine
starre Deckscheibe 11 und daran abgestützte Scheiben 12, 12' geringerer
Dicke auf. Die dem Federscheibenpaket 5 zugewandte Fläche
der Scheibenanordnung 10 weist im Ergebnis eine Kontur
auf, welche diskrete, in radialer Richtung beabstandete Stützflächen
A bereitstellt, an denen die Federscheiben 6, 6', 6'' im Zuge
einer Ventilöffnung nacheinander zur Anlage kommen, wobei
im dargestellten Ausführungsbeispiel zuerst die Abstützung
der Federscheibe 6 mit dem kleinsten Durchmesser und zuletzt
die Abstützung der Federscheibe 6'' mit dem größten
Durchmesser erfolgt. Sobald die Federscheiben 6, 6' im Zuge
einer Öffnungsbewegung des Ventils an den Stützflächen
A zur Anlage kommen, bilden diese Widerlager, um die sich der überstehende
Teil der Federscheiben herum biegt.
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Die 3 zeigt
für die in den 1 und 2 dargestellten
Federscheibenventile 1, 1' den Spannungsverlauf
in den Federscheiben 6, 6', 6'' im Einspannbereich
E in Abhängigkeit des auf das Federscheibenpaket 5 wirkenden Öffnungsdruckes.
Die in den Federscheiben 6, 6', 6'' auftretenden
Spannungen wurden nach der Methode von Mises berechnet. Während
bei einem nach dem Stand der Technik ausgebildeten Federscheibenventil 1' (1)
die Spannung im Einspannbereich E in Abhängigkeit des Öffnungsdruckes
stetig ansteigt, nimmt die Spannung in den Federscheiben des erfindungsgemäßen Federscheibenventils 1 nur
solange zu, bis die Federscheibe 6 mit dem kleinsten Durchmesser
an der ihr zugeordneten Stützfläche A des Anschlages
zur Anlage kommt. Die Stützfläche A bildet ein
Widerlager, um das sich die Federscheiben bei der weiteren Öffnungsbewegung
des Ventils biegen. Eine weitere Biege- sowie Öffnungsbewegung
des Federscheibenpaketes wirkt sich auf die Spannungswerte im Einspannbereich
E nicht aus. Die im Einspannbereich E in den Federscheiben herrschenden
Spannungen bleiben auch mit zunehmendem Öffnungsdruck auf
einem im Wesentlichen konstanten Niveau. Die 3 macht
deutlich, dass mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
Spannungsspitzen in den Federscheiben 6, 6', 6'' vermieden
werden können.
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In 4 ist
für die in den 1 und 2 dargestellten
Federscheibenventile der Öffnungsweg in Abhängigkeit
des auf das Federscheibenpaket wirkenden Öffnungsdruckes
dargestellt. Der für das erfindungsgemäße
Federscheibenventil 1 ermittelte Öffnungsweg nimmt
im Wesentlichen stetig in Abhängigkeit des Öffnungsdruckes
zu und unterscheidet sich zumindest qualitativ nicht von der Kennlinie des
nach dem Stand der Technik ausgebildeten Federscheibenventils 1'.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lässt
sich eine Öffnungskennlinie verwirklichen, die sich durch
einen großen Öffnungshub auszeichnet. Eine vergleichende
Betrachtung der 3 und 4 zeigt
deutlich, dass sich mit der Erfindung ein dem Stand der Technik
gemäß 1 vergleichbarer Öffnungshub
des Federscheibenventils erzielen lässt, wobei jedoch gleichzeitig
die Spannungen im Einspannbereich der Federscheiben auf niedrigem
Niveau konstant gehalten werden. Die Lebensdauer der Federscheiben
wird auf diese Weise signifikant erhöht, ohne dass nennenswerte
Kompromisse beim Öffnungshub des Ventils eingegangen werden
müssen.
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In 5 sind
zwei Federscheibenventile 1 dargestellt, die unter die
erfindungsgemäße Lehre fallen. Variiert wurden
die Höhe der Distanzscheibe 8 sowie die Abmessungen
der die Anschlagfläche bildenden Scheiben 12, 12'.
Mit A wurden die Stützflächen bezeichnet, an denen
sich das Federpaket 5 erstmals im Zuge einer Öffnungsbewegung
des Ventils abstützt. Dem zugeordneten Diagramm entnimmt man,
dass sich die Lage der Stützfläche A für
den ersten Kontakt unmittelbar auf die Höhe der im Einspannbereich
E des Federpaketes wirkenden Spannung in den Federscheiben auswirkt.
Hingegen ist die Auswirkung der Lage dieser Stützfläche
A auf den Öffnungsverlauf wesentlich geringer. Mit der
erfindungsgemäße Lehre kann die Haltbarkeit weicher Federscheiben 6, 6', 6'' signifikant
verbessert werden. Es lassen sich Kennlinien realisieren, die einen vorteilhaften
Einsatz insbesondere an dem Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers gewährleisten.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
der Anschlag aus einem Profilring 13, der eine dem Federscheibenpaket 5 zugewandte gestufte
Anschlagfläche 14 aufweist. Die dem Federpaket
zugewandte Fläche 14 des Profilrings weist ebenso
wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen eine
Kontur auf, welche diskrete, in radialer Richtung beabstandete Stützflächen
A bereitstellt, an denen die Federscheiben 6, 6', 6'' des Federscheibenpakets 5 im
Zuge einer Ventilöffnung nacheinander zur Anlage kommen,
wobei zuerst die Abstützung der Federscheibe 6 mit
dem kleinsten Durchmesser erfolgt. Mit der in 6 dargestellten Anordnung
lassen sich ebenfalls die zuvor beschriebenen Kennlinien realisieren.
Im Ausführungsbeispiel weist der Profilring 13 eine
Aufnahmevertiefung 15 für mindestens eine Distanzscheibe 8 auf,
an die sich eine Anschlagfläche 14 mit mindestens
einer Stufe 16 anschießt. Die Stufe 16 ist
als Schräge ausgebildet und geht mit Rundungen in Flächen über,
die den Federscheiben des Federscheibenpaketes 5 als Stützflächen
zugeordnet sind.
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In
den Ausführungsbeispielen ist das Federscheibenventil 1 stets
an einem Arbeitskolben 2 eines hydraulischen Schwingungsdämpfers
angeordnet. Das erfindungsgemäße Federscheibenventil 1 ist
nicht auf diese Anwendung beschränkt. Es lässt sich
ohne weiteres beispielsweise auch als Bodenventil und/oder Zusatzventil
in hydraulischen Schwindungsdämpfern einsetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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