DE102014203842A1

DE102014203842A1 - Ventil, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102014203842A1
Application number: DE102014203842.1A
Authority: DE
Inventors: Ingo Gelhausen; Michael Hegmann; Arndt Lindemann; Dirk Litterscheid; Peter Wirth
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2015-09-03
Also published as: WO2015132043A1

Abstract

Ventil, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer, umfassend einen Ventilkörper, auf dem mindestens eine Ventilscheibe mindestens eine Ausgangsseite eines Durchtrittskanals zumindest teilweise abdeckt, wobei die Ventilscheibe von einem Federelement auf eine Ventilsitzfläche des Ventils vorgespannt wird, wobei das Federelement eine Federkraftwirklinie aufweist, die exzentrisch an der mindestens einen Ventilscheibe angreift.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 25 00 826 A1 oder der DE 26 16 897 A1 ist ein Ventil für einen Schwingungsdämpfer bekannt, dass einen Ventilkörper mit axialen Durchtrittskanälen aufweist, die von mindestens einer Ventilscheibe abgedeckt werden. Die Ventilscheibe wird von einer Kegelfeder gegen einen Ventilsitzfläche vorgespannt.
Die grundsätzliche Bauform hat sich bewährt, da ein derartiges Ventil als Rückschlagventil einen großen Querschnitt bei geringen Abhubkräften freigibt. Die verwendete Kegelfeder benötigt nur einen geringen axialen Bauraum und ermöglicht trotzdem einen großen Abhubweg der Ventilscheibe.
Es hat sich nun gezeigt, dass auch diese an sich bewährte Konstruktion Grenzen hat, die bei einer ambitionierten Abstimmung der Dämpfventile im Schwingungsdämpfer erreicht werden und zu einer Geräuschbildung führt. Ursächlich für die Geräuschbildung ist ein undefiniertes Öffnungsverhalten bzw. Abhubverhalten der Ventilscheibe. Besonders vorteilhaft wäre ein einseitiges Öffnungsverhalten der Ventilscheibe. Dafür gibt es im Stand der Technik bereits Lösungen. So zeigt die US 5 529 154 ein Dämpfventil mit einer Ventilscheibenanordnung, bei der eine Ventilscheibe eine Ausklinkung aufweist, um einen Freiraum für eine Deformation einer elastischen Ventilscheibe bereitzustellen. Bekannt ist auch die Verwendung einer segmentierten Abstützscheibe für eine Ventilscheibe beispielhaft wird auf die DE 29 09 278 A1 verwiesen. Es gibt auch den Lösungsansatz, dass man eine asymmetrische druckbeaufschlagte Fläche für die Ventilauflagefläche vorsieht. Beispielhaft wäre die DE 11 2006 002 168 T5 zu nennen. Alle genannten Maßnahmen stellen jedoch vergleichsweise tiefgreifende Änderungen an einem Ventil dar, die nicht so einfach auf ein bestehendes Ventilsystem zu übertragen sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein definiertes Öffnungsverhalten eines Ventils bereitzustellen, wobei die dafür verwendeten Mittel möglichst einfach bei einem bereits bestehenden Ventilkonzept einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, das Federelement eine Federkraftwirklinie aufweist, die exzentrisch an der mindestens einen Ventilscheibe angreift.
Bei einer exzentrischen Federkraftkennlinie gibt es einen druckbeaufschlagten Beriech der Ventilscheibe, der einen größeren Abstand zur Federkraftwirklinie aufweist als z. B. ein gegenüberliegender Bereich. Je größer der Abstand zwischen einem Druckpunkt und der Federkraftwirklinie ist, umso größer ist auch der Hebelarm oder umso geringer ist die notwendige Abhubkraft, um die Ventilscheibe von der Ventilsitzfläche abheben zu lassen. Folglich gibt es ein definiertes Abhubverhalten der Ventilscheibe durch die einfache Verwendung eines erfindungsgemäßen Federelements. An den weiteren Ventilbauteilen sind keine Änderungen erforderlich. Damit ergeben sich auch keine Änderungen im grundsätzlichen Betriebsverhalten, d. h. eine angestrebte Kennlinie eines bereits vorhandenen Ventils würde durch die Verwendung des besagten Federelements nicht verändert, sondern nur in seinem Betriebsverhalten definierter.
Man kann vorsehen, dass das Federelement im unverspannten Zustand eine gekrümmte Wirklinie aufweist, indem man mindestens eine endseitige Anlagefläche des Federelements und eine ventilseitige Kontaktfläche schräg zueinander ausgerichtet sind. Will man konventionelle Ventilteile verwenden, wie z. B. eine Stützscheibe für das Federelement, dann weit die Stützscheibe eine rechtwinklig zur Hauptachse verlaufende Stützfläche und das Federelement eine dazu schrägverlaufende Anlagefläche auf.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die endseitige Anlagefläche des Federelements ventilscheibenseitig bezogen auf eine Mittelachse der Ventilscheibe asymmetrisch anliegt.
Eine Bauform könnte z. B. derart ausgestaltet sein, dass eine erste Anlagefläche und eine zweite Anlagefläche des Federelements exzentrisch zueinander ausgeführt sind.
Alternativ kann eine Anlagefläche eine von einer kreisrunden Fläche abweichende Geometrie aufweist. Damit ist eine gleichmäßige Abstützung der Ventilscheibe bewusst aufgehoben. Wenn die Ventilscheibe durch ein Druckmedium belastet wird, dann hebt die Ventilscheibe im Bereich der geringeren Abstützung durch das Federelement zuerst ab.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Anlagefläche des Federelements nur auf einen ventilscheibenseitigen Umfangsbereich beschränkt ist. Insbesondere in Verbindung mit einer elastischen Ventilscheibe ergibt sich ein definiertes einseitiges Abhubverhalten der Ventilscheibe.
Bevorzug ist das Federelement als eine Drahtfeder ausgeführt ist, da eine Drahtfeder einen großen Abhubweg der Ventilscheibe vereinfacht.
So bietet eine Drahtfeder die Möglichkeit, dass der Drahtquerschnitt an einem ersten ventilscheibenseitigen Flächenbereich ein kleineres Biegewiderstandsmoment aufweist als an einem zweiten ventilscheibenseitigen Flächenbereich. Dadurch reduziert sich die Schließkraft des Federelements z. B. in einem bestimmten Bereich der Anlagefläche.
Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch sind die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche über einen einseitig zu einer Mittelachse des Federelements angeordneten Verbindungsbereich verbunden. Die endseitigen Anlagefläche können konzentrisch zueinander sein und trotzdem wird ein einseitiges Abhubverhalten der Ventilscheibe erreicht, da die Schließkraft bezogen auf die Anlagefläche nicht konstant ist.
Optional kann die Anlagefläche des Federelements einen bezogen auf die Ventilscheibe abgewinkelten Bereich aufweist. Auch bei dieser Bauform wird die Abstützkraft der Ventilscheibe in einem bestimmten Bereich reduziert.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 Ventil, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer
2–10 Verschiedene Ausführungsformen des Federelements nach 1
In 1 ist das untere Ende eines Zweirohr-Schwingungsdämpfers 1 im Längsschnitt gezeigt. Ein Zylinder 3 wird durch einen Ventilkörper 5 in einem Behälter 7 des Schwingungsdämpfers begrenzt. Der Ventilkörper 5 weist ein Rückschlagventil 9 und ein Dämpfventil 11 auf, wobei dem Rückschlagventil 9 Durchtrittskanäle 13 zugeordnet sind und das Dämpfventil 11 mit Durchtrittskanälen 15 zusammenwirkt. Beide Ventile 9; 11 verschließen zumindest teilweise jeweils eine Ausgangsseite der Durchtrittskanäle 13; 15, indem mindestens eine Ventilscheibe 17; 19 auf einer Ventilsitzfläche 21; 23 aufliegt und von einem Federelement 25; 27 in Schließrichtung vorgespannt wird. Ein im Zylinder 3 vorhandener und mit Dämpfflüssigkeit gefüllter Arbeitsraum 29 wird durch die im Ventilkörper 5 vorhandenen Durchtrittskanäle 13; 15 hydraulisch mit einem zwischen der Außenwand 31 des Zylinders 3 und der Innenwand des Behälters 7 angeordneten Ausgleichsraum 31 verbunden. Bei der Relativbewegung eines Fahrzeugaufbaus zu einem Radträger fährt eine Kolbenstange 33 in den Zylinder 3 ein und aus, wodurch beim Einfahren das entsprechende Kolbenstangenvolumen aus dem Arbeitsraum 29 über das Dämpfventil 11 und die Durchtrittskanäle 15 in den Ausgleichsraum 31 verdrängt wird. Beim Ausfahren der Kolbenstange 33 aus dem Zylinder 3 wird die dem ausfahrenden Kolbenstangenvolumen entsprechende Dämpfflüssigkeitsmenge aus dem Ausgleichsraum 31 über die Durchtrittskanäle 13 und das Rückschlagventil 9 in den Arbeitsraum 29 gefördert. Der Ausgleichsraum 31 weist hierzu in den meisten Fällen außer der Dämpfflüssigkeitsfüllung ein Gaspolster auf.
Die 2 und 3 zeigen eine Variante des Federelements 27 als Einzelteil, das als eine gewickelte Drahtfeder ausgeführt ist. Das Federelement 27 verfügt jeweils an seinen Endwindungen 35; 37 über eine Anlagefläche, wobei die erste Anlagefläche 39 auf einer ventilseitigen Kontaktfläche 43 (1), in diesem Fall direkt der Ventilscheibenoberseite, und die zweite Anlagefläche 41 an einem Bund 45 einer Ventilmutter 47 (1) anliegt.
Das Federelement 27 ist spiralförmig gewickelt, wobei das Federelement 27 in dem in 2 dargestellten unverspannten Zustand eine gekrümmte Wirklinie 49 aufweist, so dass die Federkraftwirklinie im eingebauten Zustand des Federelements nach 1 exzentrisch an der Ventilscheibe 19 angreift. Man erkennt, dass die in Richtung der Ventilmutter 47 weisende Anlagefläche 41 des Federelements 27 und die ventilseitige Kontaktfläche 43 schräg zueinander ausgerichtet sind.
Über die Ventilmutter 47 wird die schräg ausgerichtete Anlagefläche 41 in die horizontale Position verschoben, so dass die Vorspannung in der linken Hälfte des Federelements 27 auf der ventilseitigen Kontaktfläche 43 größer ist als in der rechten Hälfte. Folglich wird die Ventilscheibe 19 bei einer Anströmung aus dem Ausgleichsraum 31 zuerst in der rechten Hälfte von der Ventilsitzfläche 23 abheben und damit ein definiertes Abhubverhalten einnehmen.
Die 4 zeigt eine Abwandlung zur Variante nach 2 und 3. Grundsätzlich können die Anlageflächen 39; 41 der Endwindungen 35; 37 gemäß den 2 und 3 ausgeführt sein, jedoch auch im Rahmen der Fertigungstoleranzen parallel verlaufen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die endseitige Anlagefläche 39 des Federelements 27 ventilscheibenseitig asymmetrisch zur Mittelachse 51 der Ventilscheibe 19 anliegt. Zum einen sind die Anlageflächen 39; 41 des Federelements 27 exzentrisch zueinander ausgeführt und die ventilseitige Anlagefläche 39 weist eine von einer kreisrunden Fläche abweichende Geometrie auf. Beispielhaft ist die Anlagefläche 39 elliptisch gestaltet. Insbesondere bei Verwendung einer elastischen Ventilscheibe 19 stellen sich zwei Effekte ein. Zum einen ergeben sich an der Ventilscheibe 19 unterschiedliche Hebellängen l₁; l₂, da die Ventilschreibe 19 kreisrund ausgeführt ist und die Durchtrittskanäle 13 (1) auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet sind. Zum anderen übt das Federelement 27 keine gleichmäßige Stützwirkung auf die elastische Ventilscheibe 19 aus. Die Stützwirkung in einer Achse ist mit l₂ geringer als gemäß einer zweiten Achse mit l₁.
Ein ähnlicher Effekt wird bei der Variante nach 5 angewendet, bei der die Vorspannkraft des Federelements 27 nur auf einen ventilscheibenseitigen Umfangsbereich beschränkt ist. Die Anlagefläche 41 in Richtung der Ventilmutter 47 ist nahezu umlaufend geschlossen ausgeführt, hingegen gleicht ein letzter Abschnitt der Endwindung 37 bzw. die ventilscheibenseitige Anlagefläche 39 des Federelements 27 einem geraden Hebel, der nur linienförmige auf der Ventilscheibe aufliegt und somit für das aus den Durchtrittskanälen 13 austretende Dämpfmedium ein großer Hebelarm für eine Abhubbewegung der Ventilscheibe 19 zur Verfügung steht. Zur Verdeutlichung der vielfältigen Möglichkeit wird noch auf die 6 verwiesen, deren Anlagefläche 39 von zwei abgewinkelten Schenkeln 53; 55 der Endwindung 37 gebildet wird, so dass ebenfalls ein großer Bereich der Ventilscheibe 19 nur mit einer verminderten Kraft von dem Federelement 27 vorspannt wird.
Die 7 und 8 zeigen ein Federelement 27, bei dem die Anlagefläche 39 einen bezogen auf die Ventilscheibe abgewinkelten Bereich 57 aufweist. In der Draufsicht ist erkennbar, dass die Anlagefläche 39 zwar nahezu einen geschlossenen Umfangsbereich von 360 ° darstellt, jedoch in der Vorderansicht nach 7 nicht vollflächig anliegt, sondern einen Deformationsraum 59 für die elastische Ventilscheibe 19 bildet. Grundsätzlich muss die Ventilscheibe 19 nicht zwingend elastisch sein, doch kommt dann neben der einseitigen Abstützung der Ventilscheibe 19 ein weiterer Effekt zur Steuerung des Abhubverhaltens der Ventilscheibe 19 hinzu.
Die Ausführung nach 9 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Federelements 27, das zwei geschlossene Anlageflächen 39; 41 aufweist, die über einen einseitig zu einer Mittelachse 61 des Federelements 27 angeordneten Verbindungsbereich 63 miteinander verbunden sind. Der Verbindungsbereich 61 muss nicht unbedingt einstückig mit den Anlageflächen 39; 41 hergestellt sein. Eine Schweißverbindung wäre auch möglich. Auch könnten Merkmale der anderen Varianten in die Bauform nach 9 einfließen.
In der Variante nach 10 weist ein Federelement 27 als Drahtfeder an einem ersten ventilscheibenseitigen Anlageflächenbereich 39 KB ein kleineres Biegewiderstandsmoment auf, als an einem zweiten ventilscheibenseitigen Anlageflächenbereich 39 GB. Wenn man in dieser vereinfachten Darstellung von einer konstanten Drahtdicke und unterschiedlicher Drahtbreite ausgeht, dann weist ein halbkreisförmiger Endbereich der Anlagefläche das geringere Biegewiderstandsmoment auf. Beispielhaft ist ein sich daran anschließender 270°-Bereich mit einem deutlich größeren Biegewiderstandsmoment ausgeführt, so dass auch hier eine Federkraftwirklinie vorliegt, die exzentrisch zur Ventilscheibe angreift.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführung bei einem Bodenventil oder einem Rückschlagventil, sondern ist auch bei anderen Ventilen, insbesondere in einem Schwingungsdämpfer sinnvoll anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Schwingungsdämpfer
3: Zylinder
5: Ventilkörper
7: Behälter
9: Rückschlagventil
11: Dämpfventil
13: Durchtrittskanäle
15: Durchtrittskanal
17: Ventilscheibe
19: Ventilscheibe
21: Ventilsitzfläche
23: Ventilsitzfläche
25: Federelement
27: Federelement
29: Arbeitsraum
31: Ausgleichsraum
33: Kolbenstange
35: Endwindung
37: Endwindung
39: Anlagefläche
39 KB: ventilscheibenseitiger Anlagenflächenbereich
39 GB: ventilscheibenseitiger Anlagenflächenbereich
41: Anlagefläche
43: Kontaktfläche
45: Bund
47: Ventilmutter
49: Federkraftwirklinie
51: Mittelachse
53: Schenkel
55: Schenkel
57: abgewinkelter Bereich
59: Deformationsraum
61: Mittelachse
63: Verbindungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2500826 A1 [0002]
DE 2616897 A1 [0002]
US 5529154 [0004]
DE 2909278 A1 [0004]
DE 112006002168 T5 [0004]

Claims

Ventil (9), insbesondere für einen Schwingungsdämpfer (1), umfassend einen Ventilkörper (5), auf dem mindestens eine Ventilscheibe (19) mindestens eine Ausgangsseite eines Durchtrittskanals (13) zumindest teilweise abdeckt, wobei die Ventilscheibe (19) von einem Federelement (27) auf eine Ventilsitzfläche (23) des Ventils (9) vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (27) eine Federkraftwirklinie (49) aufweist, die exzentrisch an der mindestens einen Ventilscheibe (19) angreift.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (27) im unverspannten Zustand eine gekrümmte Federkraftwirklinie (49) aufweist.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine endseitige Anlagefläche (41) des Federelements (27) und eine ventilseitige Kontaktfläche (43) schräg zueinander ausgerichtet sind.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die endseitige Anlagefläche (39) des Federelements (27) ventilscheibenseitig bezogen auf eine Mittelachse (51) der Ventilscheibe (19) asymmetrisch anliegt.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anlagefläche (39) und eine zweite Anlagefläche (41) des Federelements (27) exzentrisch zueinander ausgeführt sind.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlagefläche (39) eine von einer kreisrunden Fläche abweichende Geometrie aufweist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (39) des Federelements (27) nur auf einen ventilscheibenseitigen Umfangsbereich beschränkt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (27) als eine Drahtfeder ausgeführt ist.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtquerschnitt an einem ersten ventilscheibenseitigen Anlagenflächenbereich (33 KB) ein kleineres Biegewiderstandsmoment aufweist als an einem zweiten ventilscheibenseitigen Anlagenflächenbereich (39 GB).
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anlagefläche (39) und die zweite Anlagefläche (41) über einen einseitig zu einer Mittelachse (61) des Federelements (27) angeordneten Verbindungsbereich (63) verbunden sind.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (39) des Federelements (27) einen bezogen auf die Ventilscheibe (19) abgewinkelten Bereich (57) aufweist.