DE102013219443A1

DE102013219443A1 - Ventil für einen Schwingungsdämpfer, Schwingungsdämpfer sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013219443A1
Application number: DE201310219443
Authority: DE
Inventors: Andreas Förster
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-03-26
Also published as: US10473178B2; US20160215847A1; WO2015043843A1

Abstract

Ventil für einen Schwingungsdämpfer, umfassend ein Ventilgehäuse und einen im Ventilgehäuse bewegbaren Ventilschieber zum zumindest teilweisen Verschließen wenigstens eines Strömungsweges eines durch das Ventil strömenden Fluids, wobei das Ventil eine Eingangs- und eine Ausgangsseite besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagungsflächen des Ventilschiebers für einen Öffnungsdruck und einen Schließdruck im Wesentlichen gleich groß sind und der Ventilschieber eine Drosselstelle besitzt, über die ein Druckunterschied zwischen Öffnungsdruck und Schließdruck erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil für einen Schwingungsdämpfer umfassend ein Ventilgehäuse und einen im Ventilgehäuse bewegbaren Ventilschieber zum zumindest teilweisen Verschließen wenigstens eines Strömungsweges eines durch das Ventil strömenden Fluids, wobei das Ventil eine Eingangs- und eine Ausgangsseite besitzt.
Es ist bekannt, in Schwingungsdämpfern Ventile zu verwenden. Bei Zweirohrschwingungsdämpfern befindet sich üblicherweise am Boden des Arbeitszylinders ein Bodenventil, weiterhin kann der Kolben ein Kolbenventil aufweisen. Dabei handelt es sich um Druckventile.
Weiterhin ist es bekannt, Zweirohrdämpfer mit einer verstellbaren Dämpfkraft zu versehen, indem eine Dämpfkrafterzeugungseinrichtung außerhalb des Zweirohrdämpfers mit dem Innenraum des Zweirohrdämpfers strömungsverbunden wird. An diesem Dämpfventil lässt sich der Widerstand auf das Fluid einstellen, wodurch die Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers reguliert wird.
Um derartige Dämpfventile kostengünstiger herstellen zu können, ist es allerdings notwendig, den durch das Dämpfventil strömenden Volumenstrom zu begrenzen. Zwar sind bereits Stromventile bekannt, um den Durchfluss eines Fluids zu beeinflussen. Insbesondere gibt es hierbei Zwei-Wege-Stromregelventile, Drei-Wege-Stromregelventile oder auch Stromteilerventile. Bekannte Stromventile können aber nicht zur vorgesehenen Anwendung in einem Schwingungsdämpfer herangezogen werden, da sie entweder elektrisch betrieben sind oder aufgrund ihrer Funktionsweise keine rein volumendurchflussabhängige Regulierung zulassen.
Aus DE 102004054474 B3 ist ein Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfkraft bekannt, bei dem einem verstellbaren Dämpfventil ein zusätzliches Dämpfventil vorgelagert ist. Dadurch können plötzlich auftretende Maximaldrücke beispielsweise auf Grund des Befahrens eines Hindernisses abgefangen und vom verstellbaren Dämpfventil ferngehalten werden.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Ventil anzugeben, das rein mechanisch betreibbar ist und im Wesentlichen volumenstromabhängig und somit druckunabhängig reguliert ist, sodass eine mit dem Schwingungsdämpfer verbundene Vorrichtung wie ein Dämpfventil mit einem maximalem Volumenstrom betreibbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die Druckbeaufschlagungsflächen des Ventilschiebers für einen Öffnungsdruck und einen Schließdruck im Wesentlichen gleichgroß sind und der Ventilschieber eine Drosselstelle besitzt, über die ein Druckunterschied zwischen Öffnungsdruck und Schließdruck erzeugbar ist.
Dabei liegen bezogen auf die Strömungsrichtung der Öffnungsdruck auf der Eingangsseite und der Schließdruck auf der Ausgangsseite an. Mit der Eingangs- und der Ausgangsseite werden dabei die Bereiche innerhalb und außerhalb des Ventilschiebers bezeichnet, die oberhalb und unterhalb bzw. bei liegendem Einbau seitlich der Drosselstelle sind. Eingangsseitig liegen dabei diejenigen Bereiche, die nach einem Einbau des Ventils in einen Schwingungsdämpfer von der Drosselstelle aus gesehen kolbenzugewandt angeordnet sind und ausgangsseitig befinden sich diejenigen Bereiche, die dementsprechend kolbenabgewandt angeordnet sind. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich der Schwingungsdämpfer in der Druckstufe befindet und dementsprechend das Fluid des Schwingungsdämpfers eine eindeutige Strömungsrichtung aufweist.
Die Druckbeaufschlagungsflächen ergeben sich dementsprechend als diejenigen Querschnittsflächen diametral der Drosselstelle, die sich als Projektion auf die Querschnittsfläche in Richtung der Längsachse bzw. der Bewegungsrichtung des Ventilschiebers ergeben. Die Druckbeaufschlagungsflächen müssen im Wesentlichen gleich groß sein, d. h., dass die projizierten Flächen den gleichen oder einen lediglich gering differierenden Flächeninhalt aufweisen. Dies bedeutet insbesondere nicht, dass der Ventilschieber oberhalb und unterhalb bzw. zu beiden Seiten der Drosselstelle symmetrisch aufgebaut sein muss, vielmehr kann die Formgebung der Innenwände auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite unterschiedlich sein. In axialer Richtung sind auch keine anderweitigen Symmetrien notwendig, bevorzugt ist der Ventilschieber rotationssymmetrisch ausgestaltet. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Druckverteilung und Druckbeaufschlagung erzielen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ventilschieber eine hohlzylindrische Grundform aufweist. Damit ist gemeint, dass sich durch den Ventilschieber ein Innenraum und ein Außenraum trennen lassen. Es ist nicht notwendig, dass die Form der Innenwand bzw. Wände oder der Außenwand irgendeine besondere Formgebung aufweist, insbesondere müssen die Wände nicht „glatt“ sein.
Die Druckbeaufschlagungsflächen belegen vorzugsweise weniger als die Hälfte und mehr als ein Viertel der Gesamtquerschnittsfläche des Ventilschiebers. Besonders bevorzugt belegen die Druckbeaufschlagungsflächen mehr als ein Drittel und weiterhin besonders bevorzugt mehr als 40 Prozent der Gesamtquerschnittsfläche des Ventilschiebers.
Der durch die Drosselstelle erzeugbare Druckunterschied zwischen Öffnungsdruck und Schließdruck entsteht selbstverständlich erst bei einem fließenden Fluid. Ohne Bewegung des Fluids existiert zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Ventils keinerlei Druckunterschied.
Der Ventilschieber weist eine einzige Drosselstelle zur Erzeugung eines Druckunterschieds zwischen Öffnungsdruck und Schließdruck auf. Diese Drosselstelle ist daher bevorzugt im mittleren Bereich des Ventilschiebers angeordnet. Bevorzugt ist die Drosselstelle zwischen einem oberen Viertel und einem unteren Viertel des Ventilschiebers vorgesehen.
Vorteilhafter Weise kann der Ventilschieber durch einen Kraftspeicher, insbesondere eine Feder, vorgespannt sein. Der Ventilschieber des volumenstromabhängig geregelten Ventils ist im Ventilgehäuse verschiebbar. Damit der Ventilschieber eine feststehende Ausgangsposition aufweist, d.h. dass der Ventilschieber bei Inbetriebnahme immer in einer definierten Position aufzufinden ist, muss der Ventilschieber eine Vorzugsposition aufweisen. Diese Vorzugsposition kann durch den Kraftspeicher vorgegeben werden. Die durch den Kraftspeicher ausgeübte Kraft ist wenigstens so groß, dass sie ausreicht, den Ventilschieber gegen Reibung und je nach Einbaulage auch gegen die eigene Gewichtskraft in der Vorzugsposition zu fixieren. Mittels der Vorspannkraft des Kraftspeichers kann auch beeinflusst werden, wie groß der Volumenstrom sein muss, um den Ventilschieber aus der Normalbetriebsposition zu bewegen. Bevorzugt stützt sich der Kraftspeicher dabei gegen das Ventilgehäuse ab. Das Ventilgehäuse kann ein- oder zweiteilig oder aus noch mehr Teilen ausgeführt sein. Die Feder wird dabei zwischen dem Ventilschieber und demjenigen Gehäuseteil des Ventilgehäuses vorgespannt, die von der Vorzugsposition abgewandt ist, sofern es sich um eine Druckfeder handelt oder auf der Seite der Vorzugsposition, wenn eine Zugfeder verwendet wird. Diese Überlegungen gelten selbstverständlich auch für andere Arten von Kraftspeichern. Entscheidend ist, ob der Kraftspeicher eine ziehende oder drückende Kraftwirkung entfaltet.
Die Vorzugsposition des Ventilschiebers ist dabei die Normalbetriebsposition des Ventils. Da sich der Öffnungsdruck und der Schließdruck auf die druckbeaufschlagten Flächen im Normalbetrieb, d.h. in Normalbetriebsposition des Ventilschiebers, im Wesentlichen kompensieren verbleibt der Ventilschieber in der Vorzugsposition bis der Volumenstrom durch den Ventilschieber einen Schwellwert überschreitet, wodurch der Differenzdruck zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite den Ventilschieber aus der Normalbetriebsposition schiebt und in Richtung der Überlastposition bewegt. Der Ventilschieber ist dabei grundsätzlich beliebig zwischen der Normalbetriebsposition und der Überlastposition verschiebbar.
Vorteilhafterweise ist die Drosselstelle als kreisförmige Verengung ausgebildet. Dementsprechend verengt sich der Innendurchmesser des Ventilschiebers in einer bestimmten axialen Bauhöhe, wobei dieser verringerte Innendurchmesser aus einem vorgegeben, zusammenhängenden Abschnitt besteht. Grundsätzlich kann die Verengung stufenförmig ausgebildet sein, bevorzugt ist jedoch, dass der Ventilschieber auf der Eingangsseite auf die Drosselstelle hin konisch zulaufend ausgebildet ist. Nach der Drosselstelle ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innendurchmesser nicht gleichförmig zunimmt, sondern dass die Steigung der Innenwand zuerst größer ausgebildet ist und danach abfällt. Aufgrund des sich rasch vergrößernden Innendurchmessers des Ventilschiebers nach der Drosselstelle kann der Druckunterschied zwischen dem Öffnungsdruck und dem Schließdruck stärker ausgebildet werden als es bei einer gleichförmigen Zunahme des Innendurchmessers nach der Drosselstelle gegeben wäre.
Dabei ist anzumerken, dass die Drosselstelle nicht als Verengung ausgebildet sein muss. Die Drosselstelle kann beispielsweise auch dadurch realisiert werden, dass sich im Ventilschieber eine Platte mit Bohrungen befindet. Diese Variante hat allerdings den Nachteil, dass der Volumenstrom bei jedwedem Volumen im Fluss behindert ist und die Herstellung aufwendiger ist, als bei der zuerst beschriebenen Ausgestaltung.
Vorzugsweise kann der Ventilschieber an der Ausgangsseite in einer ersten Betriebsposition, insbesondere einer Normalbetriebsposition, einen größeren Durchlassquerschnitt und in einer zweiten Betriebsposition, insbesondere einer Überlastposition, einen kleineren Durchlassquerschnitt aufweisen. Auf dieser Art und Weise lässt sich der Strömungswiderstand des Fluids regulieren. Bei einem größeren Durchlassquerschnitt sieht das Fluid einen kleineren Widerstand und kann dadurch ungestört fließen. Durch die Verkleinerung des Durchlassquerschnitts in der Überlastposition vergrößert sich der Fließwiderstand, weiterhin wird der Volumenfluss auf einen Maximalwert begrenzt.
Vorzugsweise kann die Wandung des Ventilschiebers auf der Ausgangsseite wenigstens eine Ausnehmung aufweisen. Durch diese Ausnehmung, die durch die ganze Wand hindurch geht, wird gewährleistet, dass auch in Überlastposition immer eine Öffnung frei gegeben bleibt, durch die das Fluid fließen kann. Dadurch wird erreicht, dass immer wenigstens ein in Abhängigkeit von der Größe der Ausnehmung festgelegter Volumenstrom zum Dämpfventil durchgelassen wird. Die Ausnehmung kann dabei wie eine Art Kerbe oder Schlitz an der Unterseite der Wand des Ventilschiebers vorgesehen werden, sie kann aber auch wie eine Art Fenster in die Wand des Ventilschiebers eingebracht werden, sodass der Ventilschieber am unteren Rand geschlossen ist. Die endgültige Position der Ausnehmung hängt unter anderem davon ab, wie der Strömungsweg des Fluids liegt.
Vorteilhafter Weise weist der Ventilschieber wenigstens zwei Ausnehmungen auf, wobei diese symmetrisch angeordnet sind. Bei einer symmetrischen Anordnung der Ausnehmungen ist der Ventilschieber und damit das Ventil druckausgeglichener als bei einer asymmetrischen Anordnung, weswegen eine symmetrische Anordnung bevorzugt wird. In Abhängigkeit der Größe und Anordnung der Ausnehmungen ist eine Anzahl von sechs bis acht Ausnehmungen besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise ist das Ventilgehäuse auf wenigstens zwei Füße abgestützt, die vom Außenrand des Ventilgehäuses bis zur Mitte des Ventilgehäuses reichen. Dadurch dass die Füße nicht bis zum Innenrand des Gehäuses reichen verbleibt immer ein radialer Freiraum um den Ventilschieber herum, so dass Ausnehmungen an der Ausgangsseite des Ventilschiebers niemals mit den Füßen zur Deckung kommen, durch die der Fluidfluss wieder behindert werden könnte. Bevorzugt befindet sich die Mitte des Ventilgehäuses etwas radial nach innen versetzt im Vergleich zum Außenrand des oberen Gehäuseabschnitts des Ventilgehäuses. Dadurch bleibt unterhalb des Ventilgehäuses die gleiche Fläche für das Fluid zugänglich, die auch oberhalb des Ventilgehäuses auf dem Ventilgehäuse abstützt. Dadurch kann zusätzlich zum radialen Freiraum im Hinblick auf die Ausnehmungen des Ventilschiebers eine Druckausgeglichenheit des Ventilgehäuses erzielt werden.
Vorzugsweise kann als ein Strömungsweg ein durch den Ventilschieber verschließbarer Hauptströmungsweg mit der Ausgangseite des Ventils strömungsverbunden sein. Als Hauptströmungsweg wird also derjenige Weg angesehen, der auf das Ventil bzw. den Ventilschieber ausgangsseitig folgt. Dadurch ergibt sich die weiter oben beschriebene Vorzugsstellung für den Ventilschieber und damit auch die Normalbetriebsposition als eine von der Ausgangsseite abgewandte Positionierung des Ventilschiebers, dementsprechend ist ein Kraftspeicher zum Vorspannen des Ventilschiebers zwischen einem eingangsseitigen Abschnitt des Ventilschiebers und einem ausgangsseitigen Abschnitt des Ventilgehäuses abzustützen, sofern es sich um ein druckerzeugenden Kraftspeicher handelt. Bei einem zugerzeugenden Kraftspeicher wie einer Zugfeder wäre dieser dagegen zwischen einem ausgangsseitigen Abschnitt des Ventilschiebers und einem ausgangsseitigen Abschnitt des Ventilgehäuses anzuordnen.
Vorteilhafter Weise kann als ein Strömungsweg ein durch den Ventilschieber verschließbarer Bypassweg in der Eingangsseite des Ventils strömungsverbunden sein. Statt eines Bypassweges könnte beispielsweise auch ein Druckbegrenzungsventil im Kolben vorgesehen werden, so dass bei einem Ventil in Überlastposition und dadurch ansteigenden Druck das Fluid durch den Kolben geleitet wird. Ein Druckbegrenzungsventil im Kolben setzt aber voraus, dass ein größerer Druck aufgebaut werden kann. Da der vorhandene Druck und der Volumenstrom miteinander gekoppelt sind, ist der durch die Dämpfkrafterzeugungseinrichtung somit über den Volumenstrom vorgegebene Wert so klein, dass das Druckbegrenzungsventil schon in einem Druckbereich wirken muss, bei dem es eigentlich noch nicht wirken soll. Der Bypassweg bietet damit die Vorteile, dass zum Einen der Kolben vereinfacht aufgebaut sein kann, zum anderen wird es so möglich, lediglich den überschüssigen Teil des Volumenstroms abzuzweigen, ohne dass oberhalb des Ventils Änderungen stattfinden müssen.
Insbesondere kann der Ventilschieber auch derart verschiebbar sein, dass er in Abhängigkeit des durch ihn fließenden Volumenstroms lediglich den Bypassweg öffnet und schließt und dabei den Hauptströmungsweg unverändert lässt. Dafür kann der Ventilschieber sich in der Überlastposition an der Ausgangsseite an einem Anschlag abstützen, wobei der Durchlassquerschnitt des Hauptströmungswegs nicht oder im Wesentlichen nicht verkleinert wird. Dies wird auch erreicht, wenn sich der Ventilschieber mit Füßen auf dem Boden des Hauptströmungswegs abstützt, sofern deren Querschnitt den Durchlassquerschnitt nur vernachlässigbar verringert.
Vorzugsweise kann wenigstens eine Führung des Ventilschiebers wenigstens eine Ausnehmung aufweisen, die den Bypassweg und einen Raum, in dem die Führung mit dem Schieber hebbar und senkbar ist, verbindet. Die Führung kann beispielsweise als eine Art Außenring auf der Außenseite des Ventilschiebers ausgestaltet sein. Die Führung ist vorzugsweise auf der Eingangsseite des Ventilschiebers positioniert. In diesem Fall hat der Ventilschieber eine einzige Führung. Jedoch ist es selbstverständlich möglich, als Führung beispielsweise auch mehrere Vorsprünge vorzusehen, die in Führungsnuten geführt sind. Wird eine derartige ringförmige Führung symmetrisch abgeflacht, beispielsweise ähnlich einem Vierflach indem die ringförmige Struktur an vier symmetrisch zueinander geordneten Positionen der Führung abgeflacht wird, wird der Bypassweg mit dem Raum unterhalb der Führung verbunden. Dieser Raum ist bei Verwendung der beschriebenen Führung vorzusehen, da die Führung beim Bewegen des Ventilschiebers von der Normalbetriebsposition in die Überlastposition und zurück gehoben und gesenkt wird und hierfür ein entsprechender Raum vorzusehen ist. An diesem Raum kann sich beispielsweise auch der Raum zur Beherbergung des Kraftspeichers anschließen, sofern die Normalbetriebsposition zur Eingangsseite hin liegt und der Kraftspeicher eine Druckfeder ist. Durch die Verbindung des Bypassweges mit diesem Raum wird auch in radialer Richtung des Ventilschiebers ein Druckausgleich erreicht, sodass auch in dieser Richtung das Ventil druckausgeglichen ist.
Vorteilhafterweise kann im Bypassweg ein Druckbegrenzungsventil angeordnet sein. Dieses ist vorzugsweise als in Schließrichtung vorgespanntes Rückschlagsventil ausgebildet. Somit weist auch der Bypassweg einen gewissen Strömungswiderstand auf, sodass auch bei Verfahren des Ventilschiebers in Überlastposition nicht das gesamte Fluidvolumen über den Bypassweg abfließt und nur noch ein verschwindend geringer Teil auf dem Hauptströmungsweg verbleibt. Vielmehr fließt weiterhin ein konstantes und maximal gewünschtes Volumen bzw. ein maximaler Volumenstrom durch die Ausnehmungen an der Ausgangsseite des Ventilschiebers. Bei dieser Ausgestaltung ist das Ventil ein Sitzventil mit nachgeschaltetem Ventil im Bypassweg.
Daneben betrifft die Erfindung auch einen Schwingungsdämpfer für ein Kraftfahrzeug der ein Ventil wie beschrieben aufweist. Sämtliche Ausgestaltungen des Ventils lassen sich dementsprechend auch auf einen Schwingungsdämpfer übertragen, der ein entsprechendes Ventil umfasst.
Vorzugsweise kann der Schwingungsdämpfer drei ineinander angeordnete Rohrelemente aufweisen, wobei im innersten Rohrelement ein verschiebbarer Kolben angeordnet ist, das Ventil in oder am innersten Rohrelement angeordnet ist und das mittlere Rohrelement einen Hauptströmungsweg und einen Bypassweg voneinander trennt, die mit dem Innenraum des innersten Rohrelements strömungsverbunden sind. Das bereits ausführlich beschriebene Ventil ist zwar, wie eingangs erläutert wurde, für einen Schwingungsdämpfer vorgesehen, dessen konkrete Ausgestaltung ist jedoch zunächst unabhängig von der Ausgestaltung des Ventils. Zu einem konstruktiven Aufbau des Schwingungsdämpfers gelangt man, indem man diesen aus drei koaxial zueinander angeordneten Rohrelementen aufbaut. Der Aufbau ähnelt dabei einem Zweirohrdämpfer mit Zwischenrohr, jedoch ist beim vorliegenden Schwingungsdämpfer im Außenraum keinerlei Gas, womit dieser Raum keinen Ausgleichsraum darstellt. Weiterhin sind bevorzugt das mittlere und das äußere Volumen mit dem Arbeitsraum, dem Raum im inneren Rohrelement, verbunden, sodass das sowohl auf dem Hauptströmungsweg wie auch auf dem Bypassweg strömende Fluid wieder in den Arbeitsraum, und zwar oberhalb des Kolbens, rückführbar ist.
Der Ausgleichsraum kann seitlich oder unterhalb der Rohrelemente angeordnet werden, er kann aber auch Teil der drei Rohrelemente sein. Insbesondere kann der Ausgleichsraum auf der kolbenabgewandten Seite des Ventils angeordnet sein.
Vorzugsweise kann im Hauptströmungsweg eine Dämpfkrafterzeugungseinrichtung angeordnet sein. Diese ist, wie oben beschrieben, vor zu großen Volumenströmen zu schützen, was mittels des Ventils erreicht wird.
Daneben betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug umfassend einen Schwingungsdämpfer wie beschrieben.
Weitere Ausgestaltung, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
1 einen Teilabschnitt eines Schwingungsdämpfers im Längsschnitt,
2 einen Ventilschieber,
3 ein Druckbegrenzungsventil,
4 einen Führungsabschnitt im Querschnitt,
5 einen Bemaßungsplan eines Ventilschiebers,
6 einen hydraulischen Schaltplan.
1 zeigt einen Abschnitt eines Schwingungsdämpfers 1 mit einem inneren Rohrelement 2, einem äußeren Rohrelement 3, einen zwischen den inneren Rohrelement 2 und dem äußeren Rohrelement 3 angeordneten mittleren Rohrelement 4 und einem Ventil 5. Zwischen dem inneren Rohrelement 2 und dem mittleren Rohrelement 4 befindet sich ein Bypassweg 6 und zwischen dem mittleren Rohrelement 4 und dem äußeren Rohrelement 3 ein Hauptströmungsweg 7. Im Hauptströmungsweg 7 oder in Fluidverbindung zum Hauptströmungsweg 7 befindet sich ein als Dämpfkrafterzeugungseinrichtung z.B. ein Dämpferventil 8, das vor zu großen Volumenströmen zu schützen ist. Im inneren Rohrelement 2 ist ein Kolben 9 vorgesehen, der entweder als reiner Verdränger arbeitet oder der ein Druckventil aufweist, das bei sehr hohen Drücken öffnet. Das Ventil 5 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilschieber 10, einem Ventilgehäuse 12 bestehend aus den Gehäuseteilen 14 und 16, einer Feder 18, einem Druckbegrenzungsventil 20 und Füßen 22.
2 zeigt den Ventilschieber 10 detaillierter. Der Ventilschieber 10 hat eine kolbenseitige Eingangsseite 24 und eine kolbenabgewandte Ausgangsseite 26. Die Angaben „kolbenseitig“ und „kolbenabgewandt“ beziehen sich dabei auf das Ventil 5 im eingebauten Zustand in einem Schwingungsdämpfer 1. Der Ventilschieber wird im Folgenden von der Eingangsseite 24 her zur Ausgangsseite 26 hin beschrieben. Die Oberseite des Ventilschiebers 10 wird durch die Oberflächen 28, 30 und 32 gebildet. Die Oberfläche 28 befindet sich auf einem schmalen ringförmigen Vorsprung, der zur Außenseite hin zur ebenfalls ringförmig ausgebildeten Oberfläche 30 führt. Die Oberfläche 28 ist dabei die Ventilfläche des als Sitzventil ausgebildeten Ventils 5. Nach innen hin bildet die Oberfläche 32 einen konisch zulaufenden Trichter, der in die Seitenfläche 34 mündet. Auf die parallel zur Außenseite 36 gelegenen Seitenfläche 34 folgt die Oberfläche 38. Die Oberfläche 38 weist im Hinblick auf die Seitenfläche 34 eine größere Steigung auf als die Oberfläche 32. D. h., dass die Oberfläche 38 und die Seitenfläche 34 einen kleineren Winkel einschließen als die Oberfläche 32 und die Seitenfläche 34. Dies bedeutet anders ausgedrückt auch, dass die Verengung, die durch die Drosselstelle 40 gebildet ist, auf der Ausgangsseite 26 schneller wieder verbreitert wird als auf der Eingangsseite 24. Auf diese Art und Weise kann die Druckdifferenz zwischen Eingangsseite 24 und Ausgangsseite 26 gesteuert werden.
Auf die Oberfläche 38 folgen auf der Ausgangsseite 26 noch die Seitenfläche 42 und die Oberfläche 44.
Um das Ventil 5 druckausgeglichen zu gestalten sind in 2 folgende Eigenschaften dargestellt:
Die Innenkante 46 des Ventilschiebers 10 liegt in einer (Längs-)Ebene mit der Außenseite 36. Dies ist die gleiche Ebene, in der der Ventilschieber 10 auf der Ausgangsseite 26 nach Außen abschließt. Dadurch sind die durch den Öffnungsdruck p₁ und den Schließdruck p₂ beaufschlagten Flächen gleich groß, wobei die Druckbeaufschlagungsflächen durch eine Projektion des Querschnitts auf eine Ebene senkrecht zur Längsachse bzw. zur Bewegungsrichtung des Ventilschiebers 10 ermittelbar sind. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass solange der Innen- und Außendurchmesser der beiden Druckbeaufschlagungsflächen gleich groß sind, diese bei gleichen Öffnungsdruck p₁ und Schließdruck p₂ gleich beaufschlagt sind, unabhängig von der Steigung der Oberflächen 32, 38 und 44. Eine Druckdifferenz wird bei dieser Ausgestaltung des Ventilschiebers 10 aber durch den Ventilschieber 10 fließenden Volumenstrom hergestellt. Dies ergibt sich wie folgt:
Die resultierende Kraft auf den Schieber F ergibt sich als Differenz des Öffnungsdrucks p₁ und des Schließdrucks p₂, wobei diese jeweils mit der druckbeaufschlagten Fläche zu multiplizieren sind. Die Druckbeaufschlagungsfläche a₁ für den Öffnungsdruck p₁ lässt sich dabei mittels der Durchmesser des Ventilschiebers 10 einerseits auf Höhe der Oberfläche 28 (Durchmesser d_sf) und auf Höhe der Seitenfläche 34 (Durchmesser d_si) ermitteln. Anders ausgedrückt sind die Durchmesser an der Ventilfläche, hier der Außendurchmesser der Oberfläche 28, und an der Drosselstelle 40 zur Berechnung der Fläche a₁ zu verwenden. Die Fläche a₁ ergibt sich somit durch einfache geometrische Kreisberechnungen als Differenz eines großflächigeren Kreises auf Höhe der Oberfläche 28 und eines kleineren Kreises auf Höhe der Seitenfläche 34. Bei der Berechnung der Druckbeaufschlagungsfläche a₂ des Schließdrucks p₂ werden gleich große Durchmesser benutzt, weshalb die Flächen a₁ und a₂ gleich groß sind. Dies ergibt sich folgendermaßen: Zur Berechnung der druckbeaufschlagten Fläche a₂ beim Schließdruck p₂ wird einerseits wie beim Öffnungsdruck p₁ der Durchmesser d_si an der Drosselstelle 40 und andererseits der durch die Außenkante 50 der Oberfläche 52 vorgegebene Durchmesser verwendet. Dass nicht, wie es auch grundsätzlich möglich ist, der zu verwendende Durchmesser durch die Innenkante 48 sondern durch die Außenkante 50 der Oberfläche 52 vorgegeben wird ist dem Umstand geschuldet, dass auch die Oberfläche 52 fluid- und damit druckbeaufschlagt ist. Damit fließen in die Berechnung der Druckbeaufschlagungsfläche a₂ aber genau gleich große Durchmesser ein wie zur Berechnung der Druckbeaufschlagungsfläche a₁. Eine Druckdifferenz ergibt sich daher nur auf Grund des Volumenstroms des sich bewegenden Fluids, diese hängt vom Durchmesser bzw. der Querschnittsfläche a₄ der Drosselstelle 40 ab.
Auf der Ausgangsseite weist der Ventilschieber 10 mehrere Ausnehmungen 53 auf. Diese können, wie dargestellt, Durchgänge von der Unterseite des Ventilschiebers 10 her sein, diese können aber auch wie eine Art Fenster mit etwas Abstand zur Unterseite hin angeordnet sein, sodass der Ventilschieber 10 auf der Unterseite geschlossen ist. Die Ausnehmungen 53 durchgreifen selbstverständlich die Wand des Ventilschiebers durchgehend, sodass auch in Überlastposition ein minimaler Volumenfluss immer vorhanden ist. In 1 wie auch in 2 ist der Ventilschieber 10 in Normalbetriebsposition angeordnet, wobei sich diese Vorzugsposition aufgrund der Vorspannung durch die Feder 18 ergibt. Die Normalbetriebsposition ist bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfläche, also die Oberfläche 28, gegen die gegenüberliegende Fläche, nämlich die Ventilsitzfläche 29, gedrückt ist. In dieser Position ist der Bypassweg 6 verschlossen.
Auf der Eingangsseite 24 besitzt der Ventilschieber 10 eine ringförmige Führung 54, die mehrere axial durchgängige Ausnehmungen 56 hat. Mittels der Ausnehmungen 56 steht das Fluid im Bypassweg 6 in Verbindung mit dem Ringraum außerhalb des Ventilschiebers 10. Dabei befindet sich auch ohne Anordnung der Feder 18 unterhalb der Führung 54 immer ein gewisser Hohlraum, der sich aus dem Hubweg der Führung 54 bei Bewegung des Ventilschiebers 10 ergibt. Bei Anordnung der Feder 18 zwischen Führung 54 und Ventilgehäuse 12 ist dieser Hohlraum auf der Außenseite 36 des Ventilschiebers größer. Durch die Verbindung des Bypassweges 6 und des Raumes auf der Außenseite des Ventilschiebers 10 wird dafür gesorgt, dass in diesem Raum außerhalb des Ventilschiebers 10 ein definierter Druck vorherrscht. Dadurch wird erreicht, dass der Druckausgleich des Ventils 5 weiter verbessert ist. Außerdem haben die Ausnehmungen 56 einen definierten Querschnitt, um bei größeren Volumenstromänderungen die Bewegung des Ventilschiebers 10 zu bedämpfen.
3 zeigt das Druckbegrenzungsventil 20 gemäß 1 im Detail. Das Druckbegrenzungsventil 20 ist als in Schließrichtung vorgespanntes Rückschlagventil ausgebildet. Es umfasst mindestens eine elastisch verformbare Scheibe 58, zwei Ringe 60 und 62 sowie ein Scheibenpaket 64. Der Ring 60 ist auf der elastisch verformbaren Scheibe 58 abgestützt, das Scheibenpaket 64 ist zwischen den Ringen 60 und 62 fixiert. Der Umlenkpunkt 66 des Ringes 60 ist so platziert, dass ein Öffnungsdruck von mehreren bar vorzugsweise zwischen 2 und 15 bar, zu überwinden ist, bevor das Fluid durch den Bypassweg 6 fließt. Auf diese Art und Weise wird verhindert, dass durch Öffnen des Bypassweges 6 der Druck am Dämpfventil 8 im Hauptströmungsweg 7 nicht abrupt abfällt.
Unterhalb der elastisch verformbaren Scheibe 58 ist ein Ölreservoir 68 vorhanden.
4 zeigt den Ventilschieber 10 in der Draufsicht. Die an und für sich kreisförmige Führung 54 mit der Oberfläche 30 ist auf vier Seiten abgeflacht, so dass Ausnehmungen 56 entstehen. Diese Ausnehmungen 56 befinden sich zwischen der Führung 54 und dem Ventilgehäuse 12, in dem der Ventilschieber 10 über die Führung 54 bewegbar ist.
Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl als 4 Ausnehmungen verwendet werden, zum besseren Druckausgleich sind die Ausnehmungen 56 unabhängig von ihrer Anzahl symmetrisch anzuordnen.
5 zeigt zur Verdeutlichung der in Bezug auf 2 genannten Bemaßungsgrößen dieser getrennt von 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit. Dabei sind dargestellte Durchmesser mit Bezugszeichen geführt, die mit einem „d“ beginnen, während Flächenbezeichnungen mit einem „a“ dargestellt sind. Selbstverständlich sind die senkrecht zur Bildebene verlaufenden Flächen nicht als solche darstellbar. Von der Eingangsseite 24 her sind folgende Größen dargestellt:
Der Schwingungsdämpfer 1, in den das Ventil 5 einbaubar ist, gibt einen Zulaufdurchmesser dazu vor. Der nächste dargestellte Durchmesser ist der Innendurchmesser d_sf entlang der Innenkante der Oberfläche 28. Über diesen ist in Abhängigkeit des Innendurchmessers d_si sowohl die Druckbeaufschlagungsfläche a₁ wie auch die Druckbeaufschlagungsfläche a₂ ermittelbar. Weiterhin gibt der Innendurchmesser d_si die Querschnittsfläche a₄ der Drosselstelle 40 vor:
Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Teil der Formeln zur Berechnung von a₁ und a₂ deshalb übereinstimmen, weil der Durchmesser entlang der Innenkante der Oberfläche 28 zur Berechnung von a₁ und der Durchmesser an der Außenkante 50 der Oberfläche 52 zur Berechnung von a₂ aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Ventilschiebers 10 gleich sind.
In 5 sind weiterhin der Außendurchmesser d_da, der Abstand h_b der Oberfläche 28 zur Ventilsitzfläche 29 sowie der Abstand h_d von der Oberfläche 52 zum Boden des Hauptströmungsweges 7 dargestellt. Der Abstand h_b stellt dabei die Höhe der Öffnung des Bypassweges 6 dar und der Abstand h_d die Höhe der Austrittsfläche a₃₁.
Die Austrittsfläche a₃₁ ist eine Ringfläche, die sich als Produkt eines Umfangs und einer Höhe ergibt. Der Umfang hängt vom durch die Innenkante 48 definierten Durchmesser d_ik ab, die Höhe ist wie beschrieben der Abstand h_d von der Oberfläche 52 zum Boden des Hauptströmungsweges 7. In Überlastposition ist der Abstand h_d gleich Null, in Normalbetriebsposition erreicht er seinen maximalen Wert. Dementsprechend kann auch die Austrittsfläche a₃₁ von Null bis zu einem maximalen Wert variieren:
Die Austrittsfläche a₃₂ bezeichnet die durch alle Ausnehmungen 53 definierte Fläche. Die Austrittsfläche a₃₂ ist diejenige Fläche im Hauptströmungsweg 7, die zur Herstellung eines Mindestdurchflusses immer offen ist. Die Gesamtquerschnittsfläche a₃ ergibt sich als Summe der Flächen a₃₁ und a₃₂.
Auch die Austrittsfläche a₅ ist eine Ringfläche. Der dementsprechend zu ermittelnde Umfang ergibt sich aus dem Innendurchmesser d_sf und die Höhe aus dem Abstand h_b:
Der Abstand h_b kann wie der Abstand h_d von Null bis zu einem maximalen Wert variieren, wobei selbstverständlich der Abstand hb vom Wert her kleiner wird wenn der Abstand h_b größer wird. Es gilt: h_b + h_d = const.
Dies gilt selbstverständlich nur, wenn vorgesehen ist, den Durchlassquerschnitt an der Ausgangsseite 26 zu variieren. Bei einer Ausgestaltung, bei der nur der Bypassweg 6 geöffnet und geschlossen wird und der Durchlassquerschnitt des Hauptströmungsweges 7 konstant bleibt gilt dagegen, dass die Gesamtquerschnittsfläche a₃ konstant ist, diese muss dann auch nicht aus mehreren Flächen aufgebaut sein.
Der Außendurchmesser d_da ist der Außendurchmesser der Führung 54 an den Stellen ohne Ausnehmungen 56. Dieser Durchmesser ist auch in 4 eingezeichnet. Der Durchlassquerschnitt a_d zum Hubraum oder Hub- und Federraum ist in 5 an einer Ausnehmung 56 markiert, er ergibt sich jedoch aus Summe aller Flächen der Ausnehmungen 56.
Die Querschnittsfläche a₆ des Druckbegrenzungsventils 20 ist nicht in 5 sondern in 3 dargestellt. Die Querschnittsfläche a₆ ist wie die Austrittsflächen a₃₁ und a₅ eine Ringfläche. Die Höhe entspricht der Höhe des durch das Scheibenpaket 64 freigegebenen Spalts, die somit zwischen Null und einem Maximalwert variabel ist. Der Umfang zur Berechnung der Querschnittsfläche a₆ ist über den Auflagepunkt 67 vorgegeben. Der Auflagepunkt 67 ist selbstverständlich nur im Querschnitt ein Punkt, in der Realität handelt es sich um einen Auflagekreis.
6 zeigt ein hydraulisches Schaltbild des Ventils gemäß 1. Dabei entsprechen die eingezeichneten Größen denjenigen Größen, die in der bisherigen Figurenbeschreibung verwendet wurden. Auf der Eingangsseite 24 des Ventils 5 fällt auf Grund einer Kolbenbewegung ein Gesamtvolumenstrom Q_ges an. Zwischen dem Öffnungsdruck p₁ und dem Schließdruck p₂ liegt die Drosselstelle 40 mit einer Fläche a₄. Die Fläche a₄ der Drosselstelle 40 ergibt sich eindeutig aus dem Innendurchmesser d_si. Auf die Drosselstelle 40 folgt im Strömungsweg die Gesamtquerschnittsfläche a₃, die sich in Normalbetriebsposition aus der Austrittsfläche a₃₁ und der Austrittsfläche a₃₂ und in Überlastposition nur aus der Austrittsfläche a₃₂ ergibt. In Überlastposition ist die Austrittsfläche a₃₁ durch den Ventilschieber 10 verschlossen. Stattdessen ist die Austrittsfläche a₅ offen, die die Eingangsseite 24 und den Bypassweg 6 verbindet. Somit weist der Ventilschieber 10 an der Ausgangsseite 26 in einer ersten Betriebsposition, nämlich der Normalbetriebsposition, einen größeren Durchlassquerschnitt und in einer zweiten Betriebsposition, nämlich der Überlastposition, einen kleineren Durchlassquerschnitt auf.
Aus 6 geht weiterhin hervor, dass sich der Gesamtvolumenstrom Q_ges aus den Teilvolumenströmen Q₁ und Q₂ zusammensetzt. Q₁ ist dabei der im Bypassweg 6 strömende Volumenstrom und Q₂ der im Hauptströmungsweg 7 strömende Volumenstrom. In Normalbetriebsposition sind der Gesamtvolumenstrom Q_ges und der Teilvolumenstrom Q₂ identisch, da der Bypassweg verschlossen ist. In 6 ist weiterhin ein Ausgleichsraum 70 kenntlich, der in den 1 bis 5 nicht dargestellt ist. Der Ausgleichsraum 70 steht in Strömungsverbindung zum Innenvolumen des inneren Rohrelementes 2. Dieser nimmt das durch die Kolbenstange verdränge Fluidvolumen auf. Als Fluid wird bevorzugt Öl verwendet, grundsätzlich lässt sich das Ventil 5 aber mit jedem inkompressiblem Fluid betreiben.
Bezugszeichenliste

1: Schwingungsdämpfer
2: inneres Rohrelement
3: äußeres Rohrelement
4: mittleres Rohrelement
5: Ventil
6: Bypassweg
7: Hauptströmungsweg
8: Dämpferventil
9: Kolben
10: Ventilschieber
12: Ventilgehäuse
14: Gehäuseteil
16: Gehäuseteil
18: Feder
20: Druckbegrenzungsventil
22: Fuß
24: Eingangsseite
26: Ausgangsseite
28: Oberfläche
29: Ventilsitzfläche
30: Oberfläche
32: Oberfläche
34: Seitenfläche
36: Außenseite
38: Oberfläche
40: Drosselstelle
42: Seitenfläche
44: Oberfläche
46: Kante
48: Innenkante
50: Außenkante
52: Oberfläche
53: Ausnehmung
54: Führung
56: Ausnehmung
58: Scheibe
60: Ring
62: Ring
64: Scheibenpaket
66: Umlenkpunkt
67: Auflagepunkt
68: Ölreservoir
70: Ausgleichsraum
p₁: Öffnungsdruck
p₂: Schließdruck
p₃: Druck Bypassweg
p₄: Druck Hauptströmungsweg
a₁: Druckbeaufschlagungsfläche
a₂: Druckbeaufschlagungsfläche
a₃: Gesamtquerschnittsfläche a31 + a32
a₃₁: Austrittsfläche
a₃₂: Austrittsfläche
a₄: Querschnittsfläche Drosselstelle
a₅: Austrittsfläche
a₆: Querschnittsfläche Druckbegrenzungsventil 20
a_d: Durchlassquerschnitt
d_si: Innendurchmesser Ventilschieber auf Höhe Seitenfläche 34
d_sf: Innendurchmesser Ventilschieber auf Höhe Oberfläche 28 = Außendurchmesser Ventilschieber auf Höhe Oberfläche 52
d_zu: Zulaufdurchmesser
d_da: Außendurchmesser
h_d: Abstand
h_b: Abstand
d_ik: Durchmesser Innenkante
Q_ges: Gesamtvolumenstrom
Q₁: Teilvolumenstrom
Q₂: Teilvolumenstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004054474 B3 [0005]

Claims

Ventil (5) für einen Schwingungsdämpfer (1), umfassend ein Ventilgehäuse (12) und einen im Ventilgehäuse (12) bewegbaren Ventilschieber (10) zum zumindest teilweisen Verschließen wenigstens eines Strömungsweges (6, 7) eines durch das Ventil (5) strömenden Fluids, wobei das Ventil (5) eine Eingangs-(24) und eine Ausgangsseite (26) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagungsflächen (a₁, a₂) des Ventilschiebers (10) für einen Öffnungsdruck (p₁) und einen Schließdruck (p₂) im Wesentlichen gleich groß sind und der Ventilschieber (10) eine Drosselstelle (40) besitzt, über die ein Druckunterschied zwischen Öffnungsdruck (p₁) und Schließdruck (p₂) erzeugbar ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (10) durch einen Kraftspeicher, insbesondere eine Feder (18), vorgespannt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (40) als kreisförmige Verengung ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (10) an der Ausgangsseite (26) in einer ersten Betriebsposition, insbesondere einer Normalbetriebsposition, einen größeren Durchlassquerschnitt und in einer zweiten Betriebsposition, insbesondere einer Überlastposition, einen kleineren Durchlassquerschnitt aufweist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Ventilschiebers (10) auf der Ausgangsseite (26) wenigstens eine Ausnehmung (53) aufweist.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (10) wenigstens zwei Ausnehmungen (53) aufweist und diese symmetrisch angeordnet sind.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Strömungsweg ein durch den Ventilschieber (10) verschließbarer Hauptströmungsweg (7) mit der Ausgangsseite (26) des Ventils (5) strömungsverbunden ist.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Strömungsweg ein durch den Ventilschieber (10) verschließbarer Bypassweg (6) mit der Eingangsseite (24) des Ventils (5) strömungsverbunden ist.
Ventil nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Führung (54) des Ventilschiebers (10) wenigstens eine Ausnehmung (56) aufweist, die den Bypassweg (6) und einen Raum, in dem die Führung (54) gleichzeitig zum Ventilschieber (10) heb- und senkbar ist, verbindet.
Ventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypassweg (6) ein Druckbegrenzungsventil (20) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil (20) als in Schließrichtung vorgespanntes Rückschlagventil ausgebildet ist.
Schwingungsdämpfer (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Ventil (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Schwingungsdämpfer (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsdämpfer (1) drei ineinander angeordnete Rohrelemente (2, 3, 4) aufweist, wobei im inneren Rohrelement (2) ein verschiebbarer Kolben (9) angeordnet ist, das Ventil (5) am oder im inneren Rohrelement (2) angeordnet ist und das mittlere Rohrelement (4) einen Hauptströmungsweg (7) und einen Bypassweg (6) voneinander trennt, die mit dem Innenraum des inneren Rohrelements (2) strömungsverbunden sind.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptströmungsweg (7) eine Dämpfkrafterzeugungseinrichtung (8) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug umfassend einen Schwingungsdämpfer (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.