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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenventilanordnung für einen Kraftfahrzeugschwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine gattungsbildende Kolbenventilanordnung für einen Kraftfahrzeugschwingungsdämpfer umfasst einen innerhalb eines Dämpferzylinders angeordneten, an einer Kolbenstange festgelegten Dämpferkolben, wobei der Dämpferzylinder mit einem Dämpfungsmedium gefüllt ist.
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Der Dämpferkolben weist zumindest einen Durchflusskanal für das Dämpfungsmedium auf. Der Dämpferkolben ist an einer axial innerhalb des Dämpferzylinders beweglichen Kolbenstange mit Hilfe eines Befestigungsbauteils festgelegt und unterteilt den Dämpferzylinderinnenraum in einen ersten kolbenstangenseitigen Arbeitsraum und einen zweiten kolbenstangenfernen Arbeitsraum.
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Der Durchflusskanal verbindet den ersten Arbeitsraum mit dem zweiten Arbeitsraum und ist durch eine in der Regel ringförmig ausgeführte Ventilscheibe abgedeckt. Die Ventilscheibe ist entlang des Befestigungsbauteils axial beweglich angebracht, wobei das Befestigungsbauteil die Kolbenstange in Umfangsrichtung umgibt. Ein Ventilbauteil ist ebenfalls innerhalb des Dämpferzylinders an dem Befestigungsbauteil entlang der Kolbenstange axial gleitend beweglich angeordnet, wobei dieses in der Regel mit Hilfe einer Druckfeder gegen die Ventilscheibe verspannt ist und die Ventilscheibe mit einer in Richtung des Dämpferkolbens wirkenden Federkraft beaufschlagt.
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Zwischen der Ventilscheibe und der Oberfläche des Befestigungsbauteils ist in der Regel ein Spalt angeordnet, welcher durch Fertigungstoleranzen bedingt ist. Um Unregelmäßigkeiten in der Dämpfungskennlinie zu vermeiden wird dieser Spalt regelmäßig durch einen Dichtungsring abgedichtet, welcher zwischen der Ventilscheibe und dem Ventilbauteil angeordnet ist. Der Dichtungsring ist vorwiegend aus einem flexiblen, reversibel verformbaren Werkstoff wie beispielsweise Gummi hergestellt und ist zwischen der Ventilscheibe und dem Ventilbauteil axial eingeklemmt, wodurch dieser eine radiale Kraft auf das Befestigungsbauteil ausübt. Diese radiale Kraft, sowie die Reibung zwischen dem Dichtungsring und dem Befestigungsbauteil ist umso höher, je höher die Klemmkraft ist, mit der der Dichtungsring axial zwischen der Ventilscheibe und dem Ventilbauteil eingeklemmt ist.
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Im Betriebszustand des Kraftfahrzeugschwingungsdämpfers, wenn der Dämpferkolben zusammen mit der Kolbenstange innerhalb des Dämpferzylinders axial bewegt wird, verdrängt dieser das Dämpfungsmedium aus einem Arbeitsraum, welcher dann durch den Durchflusskanal in den anderen Arbeitsraum gelangt. Das Dämpfungsmedium strömt dann durch den Durchflusskanal und übt einen Druck auf die Ventilscheibe aus, welche in Folge dessen sich zusammen mit dem Ventilbauteil axial bewegt und sich von dem Dämpferkolben etwas abhebt. Da der zwischen der Ventilscheibe und dem Ventilbauteil eingeklemmte Dichtungsring aber eine radiale Kraft auf die Oberfläche des Befestigungsbauteils ausübt, muss diese Kraft und die daraus resultierende Reibung zwischen dem Dichtungsring und der Gleitfläche erst überwunden werden, damit die Ventilscheibe sich von dem Dämpferkolben abheben kann. In Folge dessen verschiebt die Ventilscheibe den Dichtungsring am Anfang mit einem Ruck, wobei danach die Verschiebung deutlich plastischer erfolgt. Ähnliches passiert, wenn der Dämpfmediumdruck in der Strömungsverbindung absinkt und die Ventilscheibe zurück auf deren Ausgangsposition bewegt wird. Auch in diesem Fall muss erst die Reibung zwischen dem Dichtungsring und der Gleitfläche überwunden werden, was ebenfalls zu einer anfangs ruckartigen Bewegung der Ventilscheibe führt.
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Dieses auch als Haftgleiteffekt bekannte Ruckgleiten der Ventilscheibe und des Dichtungselements an der Gleitfläche verursacht unerwünschte Spitzen in der Dämpfungskennlinie und ist unter anderem für das sogenannte Poltern, also erzeugen unerwünschte Geräusche in dem Schwingungsdämpfer mitverantwortlich.
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Darüber hinaus, bedingt durch die Ausgestaltung des Ventilbauteils, kann dessen Kippen und damit verbundene Riefenbildung an der Oberfläche des Befestigungsbauteils nicht ausgeschlossen werden. In diesem Fall käme es unweigerlich zu einer vorzeitigen Abnutzung der Baueinheit, bestehend aus dem Ventilbauteil und dem Befestigungsbauteil, sowie zu unerwünschten Geräuschen.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine alternative Kolbenventilanordnung anzugeben, welche das Auftreten der unerwünschten Geräusche minimiert oder verhindert.
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Dadurch, dass die Querschnittsgröße des Ringspaltes und die Länge des Ventilbauteils so gewählt sind, dass ein Durchsickern des Dämpfungsmediums durch den Ringspalt verhindert wird, kann auf einen Dichtungsring verzichtet werden, wodurch das Ruckgleiten wirkungsvoll verhindert wird. Durch die nun gegenüber dem bekannten Ventilbauteil vergrößerte Länge des Ventilbauteils wird einem Kippen des Ventilbauteils entgegengewirkt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kolbenventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Kolbenventilanordnung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst dass das Ventilbauteil einen Stützabschnitt zum axialen Abstützen der Druckfeder und einen an dem Stützabschnitt angrenzend angeordneten, sich ausgehend von dem Stützabschnitt axial erstreckenden Längenabschnitt, welcher sich axial zwischen der Druckfeder und dem Befestigungsbauteil erstreckt. Diese vorteilhafte Ausführung erleichtet die präzise Montage des Ventilbauteils an dem Befestigungsbauteil der Kolbenventilanordnung. Darüber hinaus übernimmt das Ventilbauteil die Führungsfunktion für die Druckfeder und kann relativ lang ausgeführt sein, ohne die Baulänge der Kolbenventilanordnung zu vergrößern.
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Durch die Bereitstellung mindestens eine umlaufende Nut an dem Befestigungsbauteil, wie es in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante vorgesehen ist, wird zwischen dem Ventilbauteil und dem Befestigungsbauteil mindestens ein zusätzlicher Raum geschaffen, in dem sich das Dämpfungsmedium sammeln kann, was das axiale Gleiten des Ventilbauteils über die Oberfläche des Befestigungsbauteils deutlich erleichtert.
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Wenn eine hohe Belastbarkeit des Ventilbauteils gefordert ist, wie es beispielsweise bei Schwingungsdämpfern der Fall ist, welche für den Einsatz in einem NKW oder einem Offroadfähigen Fahrzeug vorgesehen sind, so kann das Ventilbauteil gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante aus einem Metall ausgeführt sein.
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Zur Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung kann das Ventilbauteil vorteilhafter weise ebenfalls aus einem Kunststoff mit oder ohne Faserverstärkung ausgeführt sein.
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Die vorliegende Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1: eine Schnittdarstellung eines Kraftfahrzeugschwingungsdämpfers mit einer Kolbenventilanordnung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine erste beispielsweise Ausführungsvariante einer Kolbenventilanordnung gemäß dem Patentanspruch 1 in einer Schnittdarstellung;
- 3 eine beispielsweise Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Ventilbauteils in einer Schnittdarstellung;
- 4 eine Draufsichtdarstellung des Ventilbauteils gemäß 3;
- 5 eine beispielsweise Ausführungsvariante eines Befestigungsbauteils in einer Schnittdarstellung;
- 6 eine Seitendarstellung des Befestigungsbauteils gemäß 6.
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Die 1 zeigt eine Kolbenventilanordnung 2 für einen Kraftfahrzeugschwingungsdämpfer 1 gemäß dem Stand der Technik. Diese umfasst einen Dämpferkolben 4, welcher innerhalb eines mit einem Dämpfungsmedium gefüllten Dämpferzylinders 3 angeordnet ist und diesen in einen ersten Arbeitsraum und einen zweiten Arbeitsraum unterteilt. Dämpferkolben 3, umfasst einen Durchflusskanal 14 für das Dämpfungsmedium, welcher den ersten Arbeitsraum 16 mit dem zweiten Arbeitsraum 17 strömungsverbindet. Der Dämpferkolben 3 ist mit Hilfe eines Befestigungsbauteils 5, welcher als eine sogenannte Kolbenmutter ausgeführt ist an einer axial beweglichen Kolbenstange 6 festgelegt.
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Die Kolbenventilanordnung umfasst ferner ein Ventilbauteil 7, welches mit Hilfe einer Druckfeder 8 zumindest mittelbar gegen den Dämpferkolben 3 verspannt ist. und. Zwischen dem Ventilbauteil 7 und dem Dämpferkolben 3 ist eine Ventilscheibe 18 angeordnet, welche den Durchflusskanal 14 zumindest teilweise abdeckt. Zwischen der Ventilscheibe 18 und dem Ventilbauteil 7 ist ein Dichtungsring 19 angeordnet, welcher das Befestigungsbauteil 5 in Umfangsrichtung umgreift und aufgrund dessen Elastizität eine Federkraft auf die Oberfläche 9 des Befestigungsbauteils 5 ausübt.
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Die Druckfeder 8 ist zwischen dem Ventilbauteil 7 und einem weiteren, an der Kolbenstange 6 angeordneten Befestigungsmittel 15 eingespannt.
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Die 2 zeigt eine beispielsweise Ausführungsvariante der Kolbenventilanordnung 2 gemäß Erfindung. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Kolbenventilanordnung 2 umfasst das Ventilbauteil 7 einen Stützabschnitt 11 und einen daran angrenzend angeordneten Längenabschnitt 12. Diese Ausgestaltung des Ventilbauteils ist in den 3 und 4 besonders gut sichtbar. Der Stützabschnitt 11 dient als eine Anlage für die Druckfeder 8, welche sich an diesem, bezogen auf die Längsachse A, axial abstützt, wie es in der 2 dargestellt ist.
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Der Längenabschnitt 12 besitzt einen kleineren Querschnitt als der Stützabschnitt 11, sodass dieser sich axial zwischen dem Befestigungsbauteil 5 und der Druckfeder 8 erstreckt. Das Ventilbauteil 7 umgreift die Oberfläche 9 des Befestigungsbauteils 5 unter Einschluss eines Ringspaltes 10 und ist an diesem axial gleitend angeordnet.
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Die Querschnittsgröße des Ringspaltes 10 und die Länge L des Ventilbauteils 7 sind so gewählt, dass ein Durchsickern des Dämpfungsmediums durch den Ringspalt 10 aus dem einen Arbeitsraum 16; 17 in den anderen Arbeitsraum 17; 16 minimiert oder verhindert wird.
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Im Folgenden soll die Funktionsweise näher erläutert werden.
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Gemäß dem Gesetz von Hagen-Poiseuille vergrößert sich der Druckabfall linear mit Länge der Rohrleitung, wodurch der resultierende Volumenstrom minimiert wird.
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Dabei gilt:
| Variable | Bedeutung | Einheit |
| V̇ | Volumenstrom durch das Rohr | m3/s |
| r | Innenradius des Rohres | m |
| Δp | Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende des Rohres | Pa |
| η | Dynamische Viskosität des Fluides | Pa*s |
| l | Länge des Rohres | m |
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Um ein Durchsickern des Dämpfungsmediums durch den Ringspalt 10 zu minimieren oder gar zu verhindern, die durch Entfall des Dichtungsrings entstehen können, wird die Querschnittsgröße des Ringspaltes 10 und die Länge L des Ventilbauteils 7 also so gewählt, dass Nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille sich der Druckabfall linear mit der axialen Länge des Ringspaltes10, in Abhängigkeit von dessen Querschnittsgröße vergrößert, wodurch der resultierende Volumenstrom minimiert wird, was dazu führt, dass ein Durchsickern des Dämpfungsmediums durch den Ringspalt 10 aus dem einen Arbeitsraum 16; 17 in den anderen Arbeitsraum 17; 16 minimiert oder gar verhindert wird.
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Wie in den 5 und 6 dargestellt ist, umfasst das Befestigungsbauteil 5 mindestens eine umlaufende Nut 13. In der in 5 und 6 dargestellten Ausführungsvarianten ist vorgesehen, jeweils zwei umlaufende Nuten 13 an dem Befestigungsbauteil 5 auszuführen, wobei diese Darstellung keinesfalls auf die Anzahl der am Befestigungsbauteil ausgeführten umlaufenden Nuten 13 eingeschränkt werden soll. Vielmehr ist hier die Funktion der Nuten 13 von großer Bedeutung.
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Die hier in der Regel verwendete Druckfeder 8 weist im Idealfall nur einen Kraftvektor in axialer Richtung auf. In der Realität wird jedoch eine gewisse Querkraft der Druckfeder 8 nicht zu vermeiden sein. Die Nuten 13 vereinfachen eine Verteilung der durch eine mögliche aus der Querkraft der Druckfeder resultierende geringe Schiefstellung des Ventilbauteils 7 entstehenden Druckunterschiede des Dämpfungsmediums innerhalb des Ringspaltes 10. Des Weiteren wird durch die Nuten 13 ein Dämpfungsmediumspolster unter dem Ventilbauteil gebildet, wodurch eine Schmierung für eine erleichterte Rückstellung des Ventilbauteils sichergestellt werden kann. Beides trägt zur Verbesserung der Hysterese der Kolbenventilanordnung und zur Verbesserung des Geräuschverhaltens eines Kraftfahrzeugschwingungsdämpfers bei.
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Das in den 2, 3 und 4 dargestellte Ventilbauteil 7 ist aus einem Metall ausgeführt, wobei dieses ebenfalls im Sinne der vorliegenden Erfindung aus einem Kunststoff mit oder ohne Faserverstärkung ausgeführt sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeugschwingungsdämpfer
- 2
- Kolbenventilanordnung
- 3
- Dämpferkolben
- 4
- Dämpferzylinder
- 5
- Befestigungsbauteil
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Ventilbauteil
- 8
- Druckfeder
- 9
- Oberfläche
- 10
- Ringspalt
- 11
- Stützabschnitt
- 12
- Längenabschnitt
- 13
- Nut
- 14
- Durchflusskanal
- 15
- Befestigungsmittel
- 16
- erster Arbeitsraum
- 17
- zweiter Arbeitsraum
- 18
- Ventilscheibe
- 19
- Dichtungsring
- L
- Länge
- A
- Längsachse
