DE102008039384B4

DE102008039384B4 - Federscheibenventil

Info

Publication number: DE102008039384B4
Application number: DE200810039384
Authority: DE
Inventors: Kais Dipl.-Ing. Saadeddin
Original assignee: ThyssenKrupp Bilstein Suspension GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Bilstein GmbH
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2028-08-23
Also published as: DE102008039384A1

Abstract

Federscheibenventil mit
einer Oberfläche (3), die mindestens eine Ventilöffnung (4) enthält,
einem Federscheibenpaket (5) aus Federscheiben (6, 6', 6''), die in einer Ventilschließstellung die Ventilöffnung (4) abdecken und diese bei einer rückseitigen Druckbeaufschlagung durch Biegung freigeben, und
einem Anschlag (7) zur Begrenzung der Biegung der Federscheiben 1
wobei die Federscheiben (6, 6', 6'') und der Anschlag (7) gegeneinander verspannt sind, wobei das Federscheibenpaket (5) mindestens zwei im Durchmesser unterschiedliche Federscheiben (6, 6'') aufweist, die eine dem Anschlag zugewandte Stufenfläche bilden, und wobei die dem Federscheibenpaket (5) zugewandte Fläche des Anschlags (7) eine Kontur aufweist, welche diskrete, in radialer Richtung beabstandete Stützflächen bereitstellt, an denen die Federscheiben (6, 6', 6'') im Zuge einer Ventilöffnung zur Anlage kommen, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (7) aus einer Scheibenanordnung (10) aus mehreren aufeinander geschichteten Scheiben (11, 12, 12') besteht, die sich hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden und eine dem Federpaket...

Description

Die Erfindung betrifft ein Federscheibenventil 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, wobei das Federscheibenpaket mindestens zwei im Durchmesser unterschiedliche Federscheiben aufweist, die eine dem Anschlag zugewandte Stufenfläche bilden,
und wobei 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. Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines solchen Federscheibenventils für den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers.
Aus DE 18 17 392 A ist ein Federscheibenventil für den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers mit den eingangs beschriebenen Merkmalen bekannt. Der Anschlag weist einen Formkörper aus einem elastisch verformbaren Material auf, der umfangsseitig von einem metallischen Körper eingefasst ist. Der elastomere Formkörper und die die Einfassung bilden diskrete, in radialer Richtung beabstandete Stützflächen, an denen die Federscheiben im Zuge einer Ventilöffnung zur Anlage kommen.
Aus DE 12 60 899 A ist es auch bekannt, den Anschlag eines Federscheibenventils als Tellerringfeder auszubilden, 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 herumbiegen bzw. anschmiegen können, was sich günstig auf die Lebensdauer der Ventilfederscheiben auswirkt.
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 Dämpfungscharakteristik 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.
Vor diesem Hinterrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines Federscheibenventils, welches ein Federscheibenpaket mit welch 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.
Ausgehend von einem Federscheibenventil mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Anschlag aus einer Scheibenanordnung aus mehreren aufeinander geschichteten Scheiben besteht, die sich hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden und eine dem Federpaket zugewandte gestufte Anschlagfläche bilden. Hierdurch werden diskrete, in radialer Richtung beabstandete Stützflächen bereit gestellt, an denen die Federscheiben im Zuge einer Ventilöffnung zur Anlage kommen. 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.
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.
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 bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Federscheibenventils am Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers im komfortrelevanten Kolbengeschwindigkeitsbereich ein Dämpfungskraftkennlinienverlauf realisieren, der dem Verlauf entspricht, der mit einem Dämpfungsventil gemäß dem eingangs diskutierten Stand der Technik erreichbar ist.
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.
Das erfindungsgemäße Federscheibenventil ist insbesondere für den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers bestimmt. Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung des Federscheibenventils nach Anspruch 5.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen schematisch
1 zunächst ein nach dem Stand der Technik ausgebildetes Federscheibenventil, und zwar ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung,
2 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Federscheibenventil, ebenfalls ausschnittsweise und in einer Schnittdarstellung,
3 für die in den 1 und 2 dargestellten Federscheibenventile den Spannungsverlauf im Einspannbereich des Federscheibenpaketes in Abhängigkeit des auf das Federscheibenventil wirkenden Öffnungsdrucks,
4 für die in den 1 und 2 dargestellten Federscheibenventile den Verlauf des Öffnungsweges in Abhängigkeit des auf das Federscheibenventil wirkenden Öffnungsdrucks,
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Federscheibenventil mit einer Oberfläche (3), die mindestens eine Ventilöffnung (4) enthält, einem Federscheibenpaket (5) aus Federscheiben (6, 6', 6''), die in einer Ventilschließstellung die Ventilöffnung (4) abdecken und diese bei einer rückseitigen Druckbeaufschlagung durch Biegung freigeben, und einem Anschlag (7) zur Begrenzung der Biegung der Federscheiben 1 wobei die Federscheiben (6, 6', 6'') und der Anschlag (7) gegeneinander verspannt sind, wobei das Federscheibenpaket (5) mindestens zwei im Durchmesser unterschiedliche Federscheiben (6, 6'') aufweist, die eine dem Anschlag zugewandte Stufenfläche bilden, und wobei die dem Federscheibenpaket (5) zugewandte Fläche des Anschlags (7) eine Kontur aufweist, welche diskrete, in radialer Richtung beabstandete Stützflächen bereitstellt, an denen die Federscheiben (6, 6', 6'') im Zuge einer Ventilöffnung zur Anlage kommen, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (7) aus einer Scheibenanordnung (10) aus mehreren aufeinander geschichteten Scheiben (11, 12, 12') besteht, die sich hinsichtlich ihres Durchmessers unterscheiden und eine dem Federpaket (5) zugewandte gestufte Anschlagfläche bilden.
Federscheibenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Einspannbereich zwischen dem Anschlag (7) und dem Federscheibenpaket (5) mindestens eine Distanzscheibe (8) angeordnet ist.
Federscheibenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Anschlag (7) bildende Scheibenanordnung (10) eine starre Deckscheibe (11) und daran abgestützte Scheiben (12, 12') geringerer Dicke aufweist, wobei die Deckscheibe (11) eine Stützfläche für die Federscheibe (6'') mit dem größten Durchmesser bildet und wobei die an der Deckscheibe (11) abgestützten Scheiben (12, 12') radial weiter innen liegende Stützflächen für die mit geringeren Durchmessern ausgebildeten Federscheiben (6, 6'') bilden.
Federscheibenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheiben (6, 6', 6'') im Zuge einer Ventilöffnung nacheinander zur Anlage kommen, wobei zuerst die Abstützung der Federscheibe (6) mit dem kleinsten Durchmesser erfolgt.
Verwendung eines Federschlagventils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für den Arbeitskolben eines hydraulischen Schwingungsdämpfers.