DE102010013566A1

DE102010013566A1 - Ventilanordnung auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102010013566A1
Application number: DE201010013566
Authority: DE
Inventors: Matthias Kratky; Stefan Rottenwöhrer; Michael Stork
Original assignee: Fludicon GmbH
Current assignee: Hitachi Astemo Europe GmbH
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Ventilanordnung auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten, die einen Ventilkörper (1) mit mindestens einer Kathode (17) und parallel dazu einer Anode (11) umfasst, die mindestens einen langgestreckten Ventilspalt (2) begrenzen, der von einer elektrorheologischen Flüssigkeit in zwei Richtungen (8, 9) durch durchströmbar ist, wobei der Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit durch ein elektrisches Feld zwischen der Anode (11) und der Kathode (17) steuerbar ist und wobei die Anordnung zusätzlich ein vorgeschaltetes Rückschlagventil (16) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper mehrere oder eine Vielzahl steuerbarer paralleler Ventilspalte (2) enthält, die wechselweise von einer Kathode (17) oder einer Anode (11) begrenzt werden, wobei die Elektroden (11, 17) am Anfang (6) und am Ende (7) des Ventilkörpers (1) auf einer Kontaktierungsplatine (10) mit wechselweisen Kontakt- (15) und Isolationsflächen (14) aufliegen, durch die von einem Ende (6) die elektrische Spannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes jeweils in die Anoden (11) und vom anderen Ende (7) in die Kathoden (17) eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Regelung oder Steuerung der Durchflussmengen werden in der Hydraulik häufig Drosselventile eingesetzt. Dabei werden zur besonders schnellen Steuerung häufig Ventile für elektromagnetische oder elektrorheologische Flüssigkeiten verwandt, mit denen durch Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes die Fließeigenschaft im Millisekunden-Bereich geändert werden kann. Mit derartigen Ventilen sind dann sehr unterschiedliche Kennlinienverläufe steuerbar.
Aus der DE 2007 026 378 A1 ist ein Schwingungsdämpfer bekannt, der eine Ventilanordnung mit einem steuerbaren elektrorheologischen Ventil und einem vorgeschalteten Rückschlagventil aufweist. Das elektrorheologische Ventil besteht dabei aus zwei koaxialen Rohrstücken, die um das Innenrohr des Schwingungsdämpfers angeordnet sind. Dabei stellt das eine Rohrstück die Anode und das andere Rohrstück die Kathode dar, die durch einen Ventilspalt voneinander beabstandet sind. Die Anode und die Kathode sind gegeneinander isoliert und werden zur Steuerung der Durchflussmenge oder der Fliesseigenschaften der rheologischen Flüssigkeit mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, die bei einer hohen Spannung den Durchfluss gänzlich stoppen kann. Dieses elektrorheologische Ventil besitzt zusätzlich noch einen nicht steuerbaren Beipaßspalt und ein Rückschlagventil, so dass auch in Druck- oder Zugrichtung ein asymmetrisches Dämpfungsverhalten erzielbar ist. Allerdings kann mit einem derarigen Ventil aufgrund der vorgegebenen Spaltweite ein bestimmtes Mindestdämpfungsverhalten nicht unterschritten werden, so dass ein derartiges Ventil nur für einen bestimmten Schwingungsdämpfer einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ventil für elektrorheologische Flüssigkeiten mit Zwei-Wege-Steuerung so zu verbessern, dass damit ein sehr großer Dämpfungskraftbereich in beide Durchflussrichtungen gesteuert werden kann und dies bei einer kompakten und einfachen Bauweise.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die parallele Anordnung mehrerer oder einer Vielzahl von steuerbaren Ventilspalten mit derartigen Ventilen hohe Dämpfungskräfte bei kompakter Bauweise realisierbar sind. Gleichzeitig sind dabei hohe steuerbare Ventilflächen erreichbar, durch die vorteilhafterweise grosse Dämpfungsbereiche sehr genau gesteuert werden können.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass durch die abwechselnde radiale Anordnung von Kathoden und Anoden eine hohe Spaltanzahl steuerbar ist, ohne dass zwischen diesen aufwendige Isolationsmaßnahmen notwendig sind und dies bei kompaktester Anordnung.
Die Erfindung hat zusätzlich den Vorteil, dass durch die Kontaktierungsplatinen eine einfache Schachtelung und Kontaktierung der Elektroden möglich ist. Gleichzeitig hat eine derartige Schachtelung den Vorteil, dass ein hoher Steuerungs-Wirkungsgrad, ein hohes Ansprechverhalten und eine hohe Steuergeschwindigkeit ermöglicht wird.
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung mit dem zylinderförmigen Ventilkörper und den koaxial ineinander angeordneten Rohrstücken als Elektroden hat den Vorteil, dass damit hohe Dämpfungsbereiche bei kompaktester Ventilbauweise hochgenau steuerbar sind.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung mit einer Wendelnut und darin eingelegter Wendelschnur hat dem Vorteil, dass damit nicht nur die Anzahl der steuerbaren Ventilspalte, sondern auch deren steuerbare Länge vergrößert wird. Gleichzeitig ist dadurch vorteilhafterweise eine Isolation und ein hochgenauer Spaltabstand zwischen den Elektroden möglich.
Die besondere Ausgestaltung der Erfindung mit der Spannungszuführung über eine Kontaktierungsplatine mit den radialen Kontaktierungsarmen hat den Vorteil, dass damit eine Vielzahl von Elektroden kontaktiert und von den anderen Elektroden isoliert werden kann. Dabei haben diese Kontaktierungsplatinen gleichzeitig den Vorteil, dass sie durch deren Aussparungen zwischen den Kontakt- und Isolierflächen den gesteuerten Druckmittelfluss kaum beeinträchtigen können.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung mit den Querbohrungen und dem Rückschlagventil hat den Vorteil, dass damit durch eine einfache Verkürzung der Spaltlängen ein asymmetrisches Dämpfungsverhalten erzielbar ist.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Seitenansicht einer Ventilanordnung in Schnittdarstellung;
2: eine Draufsicht einer Ventilanordnung in Schnittdarstellung;
3: ein Rohrstück einer Anode in Perspektivdarstellung, und
4: eine Kontaktierungsplatine in Draufsicht
In 1 der Zeichnung ist ein Schnittbild einer zylinderförmigen Ventilanordnung für elektrorheologische Flüssigkeiten dargestellt, das aus einem zentralen Rückschlagventil 16 und einem radial darum angeordneten Ventilkörper 1 mit acht parallelen koaxialen Ventilspalten 2 besteht, die aus acht koaxial ineinander angeordnete Rohrstücke 3 gebildet sind, die abwechselnd als Kathode 11 oder Anode 17 geschaltet sind und am Anfang 6 und Ende 7 des Ventilkörpers 1 auf einer Kontaktierungsplatine 10 aufliegen.
Der Ventilkörper 1 besteht im wesentlichen aus einem zentralen runden Mittelteil 18 und koaxial darum angeordneten Rohrstücken 3, zwischen denen die Ventilspalte 2 belassen sind. Dabei ist am Anfang 5 und Ende 7 des Ventilkörpers 1 je eine Kontaktierungsplatine 10 und um das Ganze ein Gehäuseteil 19 angeordnet.
Wie aus 2 der Zeichnung näher ersichtlich ist, sind um das Mittelteil 18 acht Rohrstücke 3 koaxial zueinander angeordnet. Zwischen den Rohrstücken 3 sind als Ventilspalte acht schmale Ringsspalte 2 belassen, die zum Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit dienen. Zur Verlängerung der Durchflussstrecke sind, wie aus 3 der Zeichnung ersichtlich, um jedes Rohrstück 3 in einer Wendelnut 12 eine Wendelschnur 13 eingelegt. Diese ist aus einem isolierenden Material und bewirkt gleichzeitig einen gleichbleibenden abgedichteten Spaltabstand zwischen den Rohrstücken 3. Zur Steuerung des Ventildurchflusses und des Fließverhaltens der elektrorheologischen Flüssigkeit sind die einzelnen Rohrstücke 3 abwechselnd als Kathode und Anode geschaltet. Deshalb stellt ein den Ventilspalt 2 begrenzendes Rohrstück 3 ein Kathodenrohr 17 und das andere Rohrstück 3 ein Anodenrohr 11 dar.
Zur polgenauen Beschaltung der Kathoden 17 und der Anoden 11 als Elektroden ist am Anfang 6 und am Ende 7 des Ventilkörpers 1 jeweils eine Kontaktierungsplatine 10 vorgesehen, die in 4 der Zeichnung näher dargestellt ist. Dabei besteht die Kontaktierungsplatine 10 radial innen aus einem Polring 21, an dem vorzugsweise drei um 120° versetzte Kontaktierungsarme 22 radial angeordnet sind. Dabei bildet die Kontaktierungsplatine 10 einen kreisförmigen Querschnitt ab, der dem Querschnitt des Ventilkörpers 1 entspricht, aber durch die dazwischenliegenden Durchströmaussparungen 23 verringert ist. Dabei sind auf der axial nach innen zu den Rohrstücken 3 gerichteten Oberfläche der Kontaktierungsplatine 10 abwechselnd teilringförmige Kontakt- 15 und Isolationsflächen 14 angeordnet, auf der die Kathoden- 17 und Anodenrohre 11 aufliegen. So liegen am Anfang 6 des Ventilkörpers 1 vorzugsweise die Kathodenrohre 17 auf den Kontaktflächen 15 und die Anodenrohre 11 auf den Isolationsflächen 14 auf. Am Ende des Ventilkörpers 1 ist dies umgekehrt, so dass von einer Seite die Kathoden 17 und von der anderen Ventilkörperseite die Anoden 11 mit einer entsprechend steuerbaren Gleichspannung beaufschlagt werden können. Dabei ist die Kontaktierungsplatine 10 vorzugsweise wie eine scheibenförmige elektrische Schaltplatine ausgebildet, bei der die Kontaktflächen 15 durch die belassene Kupferschicht gebildet werden, wobei diese bei der Isolationsfläche 14 vorzugsweise abgeätzt ist.
Um die großen Dämpfungsanforderungen erreichen zu können, sind die acht steuerbaren Ventilspalte 2 parallel zueinander angeordnet, um eine möglichst große Durchflussmenge genau steuern zu können. Derartige Ventilkörper 1 könnten aber auch in Reihe oder in Reihe und parallel zueinander angeordnet werden. Dabei ist die Anzahl der Ringspalte 2 von der Größe des Dämpfungsbereichs und der dazu nötigen Durchflussmenge pro Zeiteinheit abhängig, so dass die Anzahl der Spalte 2 nahezu beliebig hoch sein kann und nur durch die äußeren Abmessungen begrenzt ist. Ein derartiger Ventilkörper 1 kann nicht nur rund, sondern auch durch parallele Anoden- und Kathodenplatten als quaderförmiger Ventilkörper ausgebildet sein.
Um ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten in Zug- 9 und Druckrichtung 8 zu erreichen, sind zur Verkürzung der Spaltlängen zusätzlich in den Rohrstücken 3 nahe dem Endbereich radiale Querbohrungen 20 vorgesehen, so dass das Dämpfungsverhalten in Druck- 8 und Zugrichtung 9 asymmetrisch ist. Dazu ist noch ein vorgeschaltetes Rückschlagventil 16 vorgesehen, das in Druckrichtung 8 öffnet und in Zugrichtung 9 schließt. Dabei ist zur kompakten Ausgestaltung das Rückschlagventil 16 im zentralen Mittelteil angeordnet, dessen Auslasskammer 24 mit den Querbohrungen 20 in Verbindung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2007026378 A1 [0003]

Claims

Ventilanordnung auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten, die einen Ventilkörper (1) mit mindestens einer Kathode (17) und parallel dazu einer Anode (11) umfasst, die mindestens einen langgestreckten Ventilspalt (2) begrenzen, der von einer elektrorheologischen Flüssigkeit in zwei Richtungen (8, 9) durchströmbar ist, wobei der Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit durch ein elektrisches Feld zwischen der Anode (11) und der Kathode (17) steuerbar ist und wobei die Anordnung zusätzlich ein vorgeschaltetes Rückschlagventil (16) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper mehrere oder eine Vielzahl steuerbarer paralleler Ventilspalte (2) enthält, die wechselweise von einer Kathode (17) und einer Anode (11) begrenzt werden, wobei die Elektroden (11, 17) am Anfang (6) und am Ende (7) des Ventilkörpers (1) auf einer Kontaktierungsplatine (10) mit wechselweisen Kontakt- (15) und Isolationsflächen (14) aufliegen, durch die von einem Ende (6) die elektrische Spannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes jeweils in die Anoden (11) und vom anderen Ende (7) in die Kathoden (17) eingeleitet wird.
Ventilanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (1) zylinderförmig ausgebildet ist, wobei die Anoden (11) und Kathoden (17) als koaxial ineinander verschachtelte Rohrstücke (3) ausgebildet sind, zwischen denen ein ringförmiger axialer Ventilspalt (2) vorgesehen ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rohrstücken (3) der Anoden (11) oder an den Rohrstücken (3) der Kathoden (17) eine Wendelnut (12) eingelassen ist, in der zur Verlängerung der Durchflusslänge eine isolierende Wendelschnur (13) eingelegt ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eines der Rohrstücke (3) der Anoden (11) und/oder der Kathoden (17) mindestens eine oder mehrere radiale Querbohrungen (20) eingebracht sind.
Ventilanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsplatine (10) einen flachen platten- oder scheibenförmigen Platinenkörper aufweist, dessen Fläche etwa der Querschnittsfläche des Ventilkörpers (1) unter Belassung mindestens einer Durchflussaussparung (23) entspricht, dass abwechselnd Kontaktflächen (15) zum Aufsetzen der einen Elektrodenart und Isolationsflächen (14) zum Aufsetzen der gegenüberliegenden anderen Elektrodenart enthält.
Ventilanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsplatine (10) ein innenliegendes Ringelement als Polring (21) aufweist, an dem drei um 120° versetze radiale Kontaktierungsabschnitte oder Kontaktierungsarme (15) vorgesehen sind, die radial abwechselnd koaxial angeordnete Kontaktierungs- und Isolationsflächen (14) aufweisen.