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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für elektrorheologische Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Ventilanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Zur Regelung oder Steuerung der Durchflussmengen werden in der Hydraulik häufig Drosselventile eingesetzt. Dabei werden zur besonders schnellen Steuerung häufig Ventile für elektrorheologische Flüssigkeiten verwandt, mit denen durch Anlegen eines elektrischen Feldes die Fließeigenschaft im Millisekunden-Bereich geändert werden kann. Mit derartigen Ventilen sind dann sehr unterschiedliche Kennlinienverläufe steuerbar.
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In der am Prioritätstag veröffentlichten
DE 10 2010 013 566 A1 ist eine Ventilanordnung auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten beschrieben. Die Ventilanordnung umfasst einen Ventilkörper, der mehrere oder eine Vielzahl steuerbarer paralleler langgestreckter Ventilspalte aufweist, die wechselweise jeweils von einer Kathode oder einer Anode begrenzt werden. Am Anfang und am Ende des Ventilkörpers sind Elektroden auf einer Kontaktierungsplatine mit wechselweisen Kontakt- und Isolationsflächen vorgesehen; über die Elektroden sind die Anoden und die Kathoden mit der elektrischen Spannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes verbunden. Die Ventilspalte sind von einer elektrorheologischen Flüssigkeit in zwei Richtungen durch durchströmbar, wobei der Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit durch das elektrische Feld zwischen den Anoden und Kathoden steuerbar ist. Die Anordnung enthält zusätzlich ein vorgeschaltetes Rückschlagventil. Nachteilig ist, dass der Aufwand für die Herstellung und damit auch die Kosten recht hoch sind.
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Aus der
DE 10 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 Bypass-Spalt und ein Rückschlagventil, so dass auch in Druck- oder Zugrichtung ein asymmetrisches Dämpfungsverhalten erzielbar ist. Allerdings kann mit einem derartigen Ventil aufgrund der vorgegebenen Spaltweite ein bestimmtes Mindestdämpfungsverhalten nicht unterschritten werden, so dass ein derartiges Ventil nur für einen bestimmten Schwingungsdämpfer einsetzbar ist.
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Aus der
DE 103 52 176 A1 ist ein Schwingungsdämpfer auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten bekannt. Dabei besteht der Schwingungsdämpfer aus einem Zylindergehäuse und einem das Zylindergehäuse in zwei Druckmittelkammern unterteilenden, mit einer Kolbenstange in Verbindung stehenden, axial verschiebbaren Arbeitskolben. Die Druckmittelkammern sind dabei mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt, wobei mindestens ein die Druckmittelkammern verbindender Strömungskanal im Zylindergehäuse geführt ist und mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden kann. Dabei besteht das Zylindergehäuse aus einem Innenrohr und einem dies koaxial umgebendem Außenrohr. Zwischen diesen beiden Rohren ist eine weitere zylindrische Hülse als Elektrode koaxial angeordnet, die jeweils zum Innenrohr und zum Außenrohr einen Ringspalt als Strömungskanal belässt. Dabei ist auf der inneren Mantelfläche des Außenrohrs als auch auf der inneren Mantelfläche des Innenrohrs jeweils eine Elektrodenfläche ausgebildet, die zum Aufbau eines elektrischen Feldes innerhalb der beiden Ringspalte dient. Zur Verlängerung der beiden Strömungskanäle sind auf der äußeren Mantelfläche des Innenrohrs und der inneren Mantelfläche des Außenrohrs jeweils wendelförmige Nuten eingebracht, in die eine aus Isolationsmaterial bestehende Wendel eingelegt ist, die die beiden Ringspalte zur zylindrischen Hülse abdichten und damit die ansteuerbaren Strömungskanäle schraubenförmig verlängern. Dabei besitzen sowohl die Nuten als auch die Wendeln einen kreisförmigen Querschnitt, der an den Wandflächen anliegt. Zur Herstellung dieses Dämpfers muss zunächst die separate Wendel manuell in die Nuten des Innenrohrs eingelegt werden und dann kann erst die Elektrodenhülse auf das Innenrohr aufgeschoben werden. Danach kann die zweite Wendel in die Nuten des Außenrohres eingelegt werden, um dann den Innenteil aus dem Innenrohr und dem dies koaxial umgebenden Elektrodenrohr in das Außenrohr einzuschieben. Dabei hat sich in der Praxis gezeigt, dass die eingelegten Wendeln bei der Herstellung leicht aus den Nuten herausgedrückt oder in diesen verdreht werden können, wodurch die vorgesehene Dichtwirkung dann nicht mehr gewährleistet ist. Im Übrigen ist die Herstellung eines derartigen Wendelventils sehr aufwendig, da es bei vertretbarem Aufwand nur manuell zusammengebaut werden kann.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung für elektrorheologische Bauteile zu schaffen, die für viele Anwendungen verwendbar ist und als Serienteil kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die rohrförmigen Elektroden durch die Aussparungen mit einer Abdichtwendel oder einer Isolationsschicht durch ein Kunststoffspritzgießverfahren einfach herstellbar sind. Zusätzlich bieten derartig hergestellte Abdichtwendeln aus einem gießbaren Kunststoffmaterial eine hohe Abdicht- und Isolationswirkung, so dass derartige Ventilanordnungen mit einem hohen Durchflussdruck belastet werden können. Desweiteren entsteht durch die Aussparungen eine hohe Haftfestigkeit der Abdichtwendeln, durch das eine derartige Ventilanordnung störunempfindlich ist und eine lange Lebensdauer aufweist. Gleichzeitig wird durch das vollständige Ausfüllen der Nut und der Aussparungen verhindert, dass sich beim Einfüllen der elektrorheologischen Flüssigkeit Luftblasen in Zwischenräumen bilden können, so dass dies die Steuerungsgenauigkeit vorteilhafterweise verbessert.
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Eine besondere Ausführung der Erfindung mit einer koaxial parallelen Anordnung mehrerer oder einer Vielzahl von steuerbaren Ventilspalten hat den Vorteil, dass damit hohe und auch sehr niedrige Dämpfungskräfte bei kompakter Bauweise realisierbar sind. Gleichzeitig sind dabei hohe steuerbare Ventilflächen erreichbar, durch die vorteilhafterweise große Dämpfungsbereiche sehr genau gesteuert werden können.
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Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zur Einbringung von Abdichtwendeln oder Isolationsschichten zwischen den Elektrodenrohren und den diese umgebenden Innen- oder Außenrohren mittels eines Spritzgießverfahrens hat den Vorteil, dass dadurch die elektrorheologischen Ventile oder zumindest deren Innenteile nahezu vollautomatisch als kostengünstige Serienteile gefertigt werden können. Ein derartiges Herstellungsverfahren hat gleichfalls den Vorteil, dass hierdurch eine hohe Bauteilgenaugkeit und eine kurze Herstellungszeit erreichbar sind. Derartige Ventilanordnungen können auf einfache Art auch in verschiedensten Durchmessern und Längen hergestellt werden und sind so an die unterschiedlichsten Anwendungsmöglichkeiten anpassbar und deshalb nicht nur auf ein spezielles zu steuerndes oder zu regelndes elektrorheologisches Bauteil beschränkt.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Ventilanordnung ohne Außenrohr;
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2: eine rohrförmige Elektrode der Ventilanordnung, und
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3: eine Herstellungsform zum Ausgießen einer Isolationsschicht und einer Abdichtwendel.
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In 1 der Zeichnung ist eine Ventilanordnung für elektrorheologische Flüssigkeiten ohne das koaxial angeordnete Außenrohr dargestellt, das ein Innenrohr 1, eine dies koaxial umgebende Isolationsschicht 2 und eine dazu koaxial angeordnete rohrförmige Elektrode 3 mit schraubenförmig erhabener Wendel 4 zeigt, wobei die Isolationsschicht 2 und die Wendel 4 aus einem eingespritzten oder angegossenen isolierenden und abdichtenden Kunststoffmaterial bestehen.
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Das Innenrohr 1 dient vorzugsweise zur Aufnahme der elektrorheologisch zu steuernden Bauteile, die bei einem elektrorheologischen Dämpfer mindestens einen Arbeitskolben im Innenrohr enthalten. Eine derartige Ventilanordnung kann aber auch für andere elektrorheologisch zu steuernde Bauteile vorgesehen werden. Vorzugsweise ist dabei das Innenrohr 1 aus einer Stahllegierung hergestellt und kann deshalb auch als Gegenelektrode zur rohrförmigen Elektrode 3 verwendet werden.
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Koaxial zu diesem Innenrohr 1 ist die rohrförmige Elektrode 3 angeordnet, die als Anode oder als Kathode zur Ausbildung eines elektrischen Feldes schaltbar ist. Diese Elektrode 3 ist vorzugsweise als Elektrodenrohr aus einem Aluminiummaterial ausgebildet. Dabei ist aus dem Vergrößerungsfenster A der 1 der schichtweise Aufbau und die Ausbildung der erhabenen Abdichtwendel 4 näher ersichtlich. Zur Isolation der mit einer hohen elektrischen Spannung beaufschlagbaren Elektrode 3 ist zwischen dem Innenrohr 1 und der rohrförmigen Elektrode 3 eine dünne Isolationsschicht 2 aus einem isolierenden Kunststoffmaterial eingespritzt, aus dem gleichfalls auch die erhabene Abdichtwendel 4 besteht. Dabei dient die erhabene Abdichtwendel 4 zur Beabstandung und Spaltbildung zwischen der Elektrode 3 und dem koaxial umgebenden, nicht dargestellten Außenrohr, das nach der Herstellung der Isolationsschicht 2 und der Abdichtwendel 4 auf das Elektrodenrohr 3 aufgeschoben wird.
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Das Außenrohr dient dabei vorzugsweise als Gegenelektrode, durch die die Durchströmmenge der elektrorheologischen Flüssigkeit gesteuert werden kann. Um die Steuerungsmöglichkeit der Ventilanordnung zu verbessern ist die Abdichtwendel 4 schraubenförmig gewendelt auf der Elektrode 3 angeordnet, wodurch der Durchflußweg zwischen den Ventilenden 6, 6' verlängert wird. Da beispielsweise bei einem Dämpfer, die die Ventilanordnung durchströmende elektrorheologische Flüssigkeit unter einem hohen Druck steht, muss die Abdichtwendel 4 gut an der Elektrode 3 befestigt sein, um nicht axial abgelöst oder verschoben zu werden. Dazu ist bei der Ventilanordnung nach 1 der Zeichnung in das Elektrodenrohr 3 eine schraubenförmig gewendelte Nut 5 eingefräst, die vorzugsweise eine strukturierte Querschnittsfläche 7 besitzt, die aus zwei nebeneinander liegenden Halbkreisen 8 gebildet ist. Dabei besitzt die schraubenförmig gewendelte Nut 5 zwischen den Umschlingungsgängen einen vorzugsweise gleichbleibend axialen Abstand von ca. 5 bis 100 mm, so dass sich die Spaltlänge zur besseren Steuerungsmöglichkeit um ein Vielfaches verlängern lässt.
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Die zwischen den beiden Enden 6, 6' der Ventilanordnung verlaufende schraubenförmig gewendelte Nut 5 ist dabei zusätzlich noch mit Aussparungen 9 versehen, die die Wanddicke der Elektroden 3 durchdringen. Diese Aussparungen 9 sind im einzelnen aus der 2 der Zeichnung ersichtlich, die ein Schnittbild der rohrförmigen Elektrode 3 darstellt. Dort sind ausschließlich Längsschlitze 10 als Aussparungen 9 eingelassen, die der gewendelten Schraubenform folgen und die ein Durchdringen des Kunststoffmaterials ermöglichen. Diese Längsschlitze 10 dienen vorzugsweise einer besseren Anhaftung des Kunststoffmaterials als auch einer vorteilhaften Herstellung der Ventilanordnung. Die Aussparungen 9 können aber auch als beabstandete Bohrungen, Kreuzschlitze und dergleichen ausgebildet sein.
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Zur Abdichtung des Durchflußspalts zwischen der rohrförmigen Elektrode 3 und dem Außenrohr und damit einer Verlängerung des Durchströmweges ist die Abdichtwendel 4 radial über der äußeren Mantelfläche 11 des Elektrodenrohrs 3 erhaben ausgebildet, die eine Höhe von Vorzugsweise 0,5 bis 2 mm beträgt. Die erhabene Querschnittsform 12 ist dabei zur besseren Abdichtung und zum einfachen Aufschieben des Außenrohrs als Sechseck-Hälfte ausgebildet. Allerdings ist es auch denkbar, die erhabene Querschnittsform 12 auch halbrund oder wie die Nut 5 als Halbkreise 8 auszubilden. Zum besseren Aufschieben des Außenrohrs wird vorzugsweise ein gut abdichtendes, isolierendes und weich-elastisches Kunststoffmaterial verwendet, dessen erhabener Abstand um einem Toleranzbetrag von ca. 0,1 bis 0,2 mm höher ist als der Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche 11 der Elektrode 3 und der inneren Mantelfläche des Außenrohrs. Dabei ist zum komprimierenden Aufschieben des Außenrohrs die mittlere Fläche der Sechseck-Hälfte mit einer leichten Montageschräge in Aufschieberichtung versehen, die zusätzlich auch die Abdichtwirkung verbessert. Zwecks Verbesserung der Strömungsverhältnisse im Ventilspalt kann es vorteilhaft sein, die Steigung der schraubenförmig angeordneter Abdichtwendel 4, 4' an den Enden 6, 6' geringer als im Mittelteil auszubilden. Bei verhältnismäßig geringer Steigung kann es auch vorteilhaft sein, parallel beabstandet zueinander auf dem Elektrodenrohr 3 gleichzeitig zwei oder mehr Abdichtwendeln 4, 4' anzuordnen.
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In 2 der Zeichnung ist eine rohrförmige Elektrode 3 dargestellt, die zur Fixierung keine Nut 5, sondern nur Längsschlitze 10 als Aussparungen 9 aufweist. Diese sind gleichzeitig vorgesehen, um eine erhabene Abdichtwendel 4 nicht nur auf der äußeren Mantelfläche 11, sondern auch auf der inneren Mantelfläche 13 der Elektrode 3 anzuordnen. Eine derartige Elektrode 3 ist vorgesehen, um eine Doppelspalt-Ventilanordnung herzustellen, wobei ein zusätzlicher Ventilspalt zum Innenrohr 1 vorgesehen ist. Dazu wird die zusätzliche erhabene Abdichtwendel 4' in gleicher Weise auf der inneren Mantelfläche 13 aufgebracht, indem das gegossene Kunststoffmaterial durch die Aussparungen 9 dringt und innen durch eine Form ausgebildet wird und durch die Aussparungen 9, 10 fest mit dem Elektrodenrohr 3 verankert ist. Mit einer derartigen Elektrode 3 können koaxial zum Außenrohr oder innerhalb des Innenrohres 1 noch zusätzliche Elektrodenrohre 3 vorgesehen werden, um Mehrfach-Spalt-Ventilanordnungen (Zwiebel-Ventil) zu schaffen.
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Zur vereinfachten, insbesondere zur serienmäßigen Herstellung sind die Teile der Ventilanordnung nach 1 oder 2 der Zeichnung durch ein Kunststoffspritzgießverfahren kostengünstig und schnell herstellbar. Dazu wird eine Kunststoffspritzgießform 14 vorgesehen, die in 3 der Zeichnung dargestellt ist. Die Kunststoffspritzgießform 14 besteht im Grunde aus einer unteren ortsfesten Formplatte 15 und einer beweglichen Formplatte 16, die als Formplattenhäften zum Ausgießen der Isolationsschicht 2 und/oder der Abdichtwendeln 4, 4' in einer Spritzgießmaschine hydraulisch zusammen geschoben werden. In diesen beiden Formhälften 15, 16 ist ein Formhohlraum 17 herausgearbeitet, in dem das koaxial zusammengesteckte Innenrohr 1 und das Elektrodenrohr 3 formschlüssig einlegbar ist. Dabei sind in den inneren Mantelflächen des Formhohlraums 17 beider Plattenhälften 15, 16 Negativnuten 18, 18' der Abdichtwendel 4 eingearbeitet, durch die zu gießende Abdichtwendel 4 ausgebildet werden sollen. Zur leichteren Entformung nach dem Gießvorgang sind zunächst noch zwei Formschalen 19 vorgesehen, die in entsprechende Formeneinsatzhohlräume 20 einspannbar sind. Auf der inneren Mantelfläche dieser Formenschalen 19 sind ebenfalls Teile der Negativnuten 18' eingearbeitet, um die gesamte Abdichtwendel 4 ausformen zu können.
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Zum Herstellen der Ventilanordnung nach 1 der Zeichnung wird zunächst das koaxial zusammengesteckte Innen- 1 und Elektrodenrohr 3 als Innenteil 22 in die ortsfeste Formplatte 16 eingelegt. Dann werden die beiden Formschalen 19 in den Formeneinsatzhohlraum 20 der ortsfesten Formplatte 15 eingelegt oder automatisch mit einer Formeneinsatzplatte 21 in diese hydraulisch eingeschoben. Daraufhin wird die Spritzgießform 14 durch einen hydraulischen Antrieb der beweglichen Formenplatte 16 geschlossen und das erhitzte Kunststoffmaterial in die Negativnuten 18 eingespritzt oder eingegossen. Dies verteilt sich in flüssigem Zustand in den Negativnuten 18 und gelangt durch die Aussparungen 9 auch in den Hohlraum zwischen dem Innenrohr 1 und dem Elektrodenrohr 3 und bildet dort die Isolationsschicht 2 aus.
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Nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials wird dann der Innenteil 22 der Ventilanordnung aus der Spritzgießform 14 entfernt. Dazu wird die bewegliche Formplatte 16 und die beiden Formeinsatzplatten 21 mit den Formschalen 19 hydraulisch nach außen bewegt, so dass der Innenteil 22 der Ventilanordnung entnommen werden kann. Dieser Innenteil 22 wird dann in das Außenrohr geschoben und mit entsprechenden nicht dargestellten Endstücken zum Anschluss der Elektroden und der elektrorheologischen Flüssigkeit verschlossen und stellt dann eine fertige Ventilanordnung zur Steuerung von elektrorheologischen Bauteilen dar.
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Soll als Innenteil 22 nur ein Elektrodenrohr 3 mit beidseitigen Abdichtwendeln 4, 4' gegossen werden, so ist statt dem Innenrohr 1 ein Gewindekern axial in den Formenhohlraum 17 einzuführen. Dazu muss der Gewindekern ebenfalls auf seiner äußeren Mantelfläche eine schraubenförmig gewendelte Negativnut 18 enthalten, durch die die Abdichtwendel 4' an der inneren Mantelfläche des Elektrodenrohrs 3 ausgebildet wird. Nach dem Aushärten wird dann der Gewindekern mittels einer nicht dargestellten Gewindeleitmutter aus der Spritzgießform 14 herausgedreht. Danach kann der Innenteil 22 wie zuvor beschrieben entformt werden. Durch ein derartiges Spritzgießverfahren sind Ventilanordnungen für elektrorheologische Flüssigkeiten nahezu vollautomatisch herstellbar und als Serienteile zur Steuerung unterschiedlichster elektrorheologischer Bauteile einsetzbar.
