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Die Erfindung betrifft ein Dämpfventil für einen Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Anhand von vielen praktischen Anwendungen hat die Fachwelt gelernt, dass ein Dämpfventil besonders geräuscharm arbeitet, wenn eine Ventilscheibe definiert an einem Punkt beginnend von einer Ventilsitzfläche abhebt. Dafür gibt es zahlreiche Ventilbauformen, z. B. eine exzentrische Ventilscheibenanordnung, wie in der
DE 10 2017 002 566 A1 oder eine mäanderformige Ventilsitzfläche mit unterschiedlichen Abständen der Druckmittelpunkte in einem Ringgraben, z. B.
DE 10 2010 040 458 A1 . Die
JP3123021 B2 offenbart eine kleeblattförmige Anordnung von segmentartigen Ventilsitzflächen unterschiedlicher Größe, die völlig getrennt zueinander auf einem Ventilkörper ausgeführt sind. Im Bereich der größten Ventilsitzfläche wirkt die größte Abhubkraft, so dass in diesem Bereich auch die Abhubbewegung der Ventilscheibe einsetzt.
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Der Nachteil der kleeblattförmigen Anordnung besteht in der Reduzierung der Größe der druckbeaufschlagten Fläche an einer Ventilscheibe. Grundsätzlich ist ein großer Ringgraben für das Öffnungsverhalten günstig, da dann auch eine große druckbeaufschlagte Fläche zur Verfügung steht, die tendenziell eine größere Öffnungskraft auf die Ventilscheibe bewirkt. Infolge dessen kann die Materialstärke der Ventilscheibe vergrößert werden, da die Öffnungskraft aufgrund des Betriebsdrucks und die Schließkraft der Ventilscheibe in einem günstigen Verhältnis stehen. Eine große Materialstärke führt zu einer geringeren Spannung in der Ventilscheibe und damit zu einer größeren Lebensdauer des Dämpfventils.
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In diesem Zusammenhang wäre noch ein Dämpfventil gemäß der
DE 10 2014 223 086 A zu nennen, bei der die Ventilauflagefläche entlang eines Ringgrabens einen unsymmetrisch elliptischen Verlauf aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Dämpfventil zu entwickeln, das einerseits eine große druckbeaufschlagte Fläche an einer Ventilscheibe aufweist und andererseits einen definierten Öffnungspunkt ermöglicht.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Ringgraben einen c-förmigen Verlauf aufweist.
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Damit wird eine asymmetrische Druckbelastung der Ventilscheibe erreicht, die zu einer einseitigen Abhubbewegung der Ventilscheibe führt. Folglich ist das Abhubverhalten eindeutig bestimmt.
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Um die Abhubbewegung der Ventilscheibe noch stärker zu definieren, weist eine Deckseite des Dämpfventilkörpers radial außerhalb des Ringgrabens eine axiale Erhebung mit einer Stützfläche auf, die zumindest bei einer Abhubbewegung der Ventilscheibe von der Ventilsitzfläche belastet wird. Die Stützfläche bildet eine Kippkante, so dass eine Taumelbewegung der Ventilscheibe beim Abhub von der Ventilsitzfläche möglich ist.
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Das Öffnungsverhalten der Ventilscheibe kann zusätzlich beeinflusst werden, indem der Abstand der Stützfläche von der Deckseite kleiner ist als der Abstand der Ventilsitzfläche zur selben Deckseite.
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Bevorzugt wird die Stützfläche von einer Stützleiste gebildet. Die Stützleiste bietet eine ausreichend große Stützfläche, wobei die Stützleiste auch segmentiert sein kann.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch ist die Stützfläche auf einer ringförmigen Stützleiste ausgeführt, die eine Mulde begrenzt. Dabei ist die Mulde bevorzugt als ein Ringgraben ausgeführt, um eine größere Länge der Stützfläche zu erreichen.
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Um den zur Verfügung stehenden Bauraum maximal auszunutzen, begrenzt ein Trennsteg sowohl die Mulde wie auch den Ringgrabenabschnitt.
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Dazu ist es hilfreich, wenn die Mulde und der Ringgraben einen Kreisring bilden.
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Wenn der Dämpfventilkörper in einem Urformverfahren hergestellt wird, dann ist es zur Vermeidung von Übergangsbereichen sinnvoll, wenn eine äußere Stützleiste der Mulde und eine äußere Ventilsitzfläche des Ringgrabens dieselben Durchmesser aufweisen.
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Zusätzlich kann man vorsehen, dass eine innere Stützleiste der Mulde und eine innere Ventilsitzfläche des Ringgrabens dieselben Durchmesser aufweisen.
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Optional kann in der Mulde eine Abflussöffnung zu einem Arbeitsraum ausgeführt sein, die einer Drosselöffnung in Abflussrichtung aus dem Ringgraben in denselben Arbeitsraum hydraulisch parallel geschaltet ist, wobei die Mulde zu einem Arbeitsraum, über den der Ringgraben über den Anschlusskanal mit Dämpfmittel gespeist wird, abgeschlossen ist. In der Mulde bildet sich zusätzlich ein Minderdruck, der partiell eine Haltekraft auf die Ventilscheibe ausübt. Damit steht mit der Öffnungskraft im Ringgraben und der Haltekraft im Bereich der Mulde ein Kräftepaar zur Verfügung, dass auf die Ventilscheibe ein Kippmoment ausübt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung besteht zwischen der Mulde und dem Ringgraben eine Strömungsverbindung, die einen Drosselquerschnitt bildet. Über den Drosselquerschnitt kann die Haltekraft verändert werden.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
- 1 Einbausituation des Dämpfventils in einem Schwingungsdämpfer
- 2 Seitenansicht des Dämpfventilkörpers nach 1
- 3 Draufsicht des Dämpfventilkörpers
- 4 Vereinfachte Draufsicht des Dämpfventilkörpers
- 5 Dämpfventilkörper mit Ringgraben und Mulde
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Die 1 zeigt ein Dämpfventil 1 für einen Schwingungsdämpfer 3 in einer Schnittdarstellung. Diese Ausführung beschreibt einen besonders einfachen Anwendungsfall, sodass ein derartiges Dämpfventil 1 auch als ein Kolbenventil oder im Zusammenhang mit einer verstellbaren Dämpfventileinrichtung denkbar wäre.
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Das Dämpfventil 1 umfasst einen Dämpfventilkörper 5, der zwischen einem Boden 7 eines äußeren Zylinders 9 und einem inneren Zylinder 11 verspannt ist. Dafür verfügt der Dämpfventilkörper 5 über Stützen 13, zwischen denen Radialkanäle 15 angeordnet sind. Die Radialkanäle 15 verbinden einen mit Dämpfmedium gefüllten Speicherraum 17 mit einem Arbeitsraum 19 innerhalb des Zylinders 11.
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Dafür sind in dem Dämpfventilkörper 5 Anschlusskanäle 21 ausgeführt, deren Austrittsöffnungen 23 in einem Ringgraben 25 münden. Der Ringgraben 25 wird von einer Ventilsitzfläche 27 für mindestens eine Ventilscheibe 29 eingefasst. Eine Vorspannfeder 31 übt eine Schließkraft auf die Ventilscheibe 29 in Richtung der Ventilsitzfläche 27 aus. Die Vorspannfeder 31 wird von einem Federteller 33 in Verbindung mit einem Befestigungsmittel 35, beispielhaft einem Befestigungsniet, gehalten. Auf einem Teilkreis radial innerhalb des Ringgrabens 25 sind mehrere axiale Anschlusskanäle 37 angeordnet, deren Austrittsöffnungen in Richtung des Speicherraums 17 weisen und ebenfalls von mindestens einer Ventilscheibe 41 zumindest teilweise abgedeckt werden.
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Wenn Dämpfmittel im Rahmen einer Einfederungsbewegung eines nicht dargestellten Fahrzeugrades aus dem inneren Zylinder 11 durch die Anschlusskanäle 37 in den Speicherraum 17 verdrängt wird, dann erzeugen die Ventilscheiben 41 mit den Austrittsöffnungen 37 eine Dämpfkraft und bilden damit ein Dämpfventil.
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Bei einer Anströmung des Dämpfventilkörpers ausgehend von dem Speicherraum 17 in den Ringgraben 25 bildet die Ventilsitzfläche 27 mit der Ventilscheibe 29 ein sich öffnendes Rückschlagventil, das in der Regel möglichst keine nennenswerte Dämpfkraft erzeugen soll. Vielmehr soll die Ventilscheibe 29 geräuschlos abheben und ebenso wieder schließen.
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Die 2 und 3 zeigen den Dämpfventilkörper 5 als Einzelteil. In der Draufsicht nach 3 ist insbesondere erkennbar, dass der Ringgraben 25 einen c-förmigen Verlauf um den Mittelpunkt des Dämpfventilkörpers 5 aufweist. Ferner ist ersichtlich, dass die Anschlusskanäle 21 bevorzugt bogenförmige Austrittsöffnungen 23 aufweisen und in Umfangsrichtung zwischen den Stützen 13 des Dämpfventilkörpers angeordnet sind.
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Der Ringgraben 25 weist bei einem Federbein einen Umfangswinkel von mehr als 180° und weniger als 300° auf. Wird der Schwingungsdämpfer jedoch als ein Achsdämpfer eingesetzt, d. h. Schwingungsdämpfer und eine Tragfeder sind getrennte Bauteile, dann weist der Umfangswinkel maximal 180° auf. Kolbenstangen von Federbeinen verfügen in der Regel über größer dimensionierte Querschnitte, so dass ein genügend großer Austrittsquerschnitt aus dem Ringgraben vorliegt, um das aus dem Zylinder ausfahrende Kolbenstangenvolumen durch nachströmendes Dämpfmittel kompensieren zu können.
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Aus der Zusammenschau der 2 und 3 ist erkennbar, dass eine Deckseite 41 des Dämpfventilkörpers 5 radial außerhalb des Ringgrabens 25 eine axiale Erhebung 43 mit einer Stützfläche 45 aufweist. Diese Stützfläche 45 wird zumindest bei einer Abhubbewegung der Ventilscheibe 29 von der Ventilsitzfläche 27 belastet. Für die Ausgestaltung der Stützfläche 45 sind zahlreiche Varianten denkbar. Hier soll nur das Prinzip dargestellt werden. Der Durchmesser des Dämpfventilkörpers 5 und der Umfangswinkel des Ringgrabens 25 bestimmen im Wesentlichen die Lage der Stützfläche 45, die hier von einer Stützleiste 46 gebildet wird. Je größer der radiale Abstand zum Ringgraben 25, umso weniger Kraft ist für die Abhubbewegung der Ventilscheibe 29 von der Ventilsitzfläche 27 notwendig, da der Hebelarm der hydraulischen Abhubkraft, die auf die Ventilscheibe 29 wirkt, von einem Druckmittelpunkt 47 der durch den Ringgraben 25 bestimmt wird, zu einer Kippkante 49, die von der Stützfläche 45 gebildet wird, entsprechend länger ist.
Als weiteres Einstellungsmerkmal ist der Abstand der Stützfläche 45 von der Deckseite 41 nutzbar. Wenn dieser Abstand kleiner ist als der Abstand der Ventilsitzfläche 27 zur selben Deckseite, dann kann ein noch größerer Abhubwinkel der Ventilscheibe von der Ventilsitzfläche erreicht werden, da dann die Stützfläche 45 erst nach einem bestimmten Abhubwinkel ihre Wirkung entfaltet. Dann verlagert sich aber die Kippkante 49 von der Stützfläche 45 zu einer Endkante 41 des Ringgrabens 25.
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In der 4 ist der Dämpfventilkörper 5 in vereinfachter Form in der Draufsicht nach 3 dargestellt, um die Verlagerung des hydraulischen Druckmittelpunkts 47 auf die Ventilscheibe zu verdeutlichen. Bei einem Ringgraben 25 konstanter Breite und einem Umfangswinkel von 360° liegt der hydraulische Druckpunkt im Mittelpunkt des Dämpfventilkörpers 5. Idealisiert würde die Ventilscheibe 29 eine parallele Abhubbewegung von der Ventilsitzfläche 27 ausführen. In der Praxis tritt dieses Verhalten jedoch nicht auf, da verschiedenste Einflüsse dafür sorgen, dass die elastische Ventilscheibe 27 gleichzeitig an mehreren Stellen eine Abhubbewegung ausführt und dann undefiniert weiter öffnet.
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Mit dem c-förmigen Ringgraben
25 wird eine radiale Verlagerung des hydraulischen Druckmittelpunkts
47 auf die Ventilscheibe
29 erreicht. Die Größe der Radien
ra ;
ri für den Innenradius und den Außenradius des Ringgrabens
25, sowie der Umfangswinkel α bestimmen die radiale Verlagerung. Man kann die Verlagerung genau berechnen. Dazu dient die Gleichung:
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Das Dämpfventil 1 nach 5 zeigt eine Abwandlung der Ausführung nach den 1 bis 4. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die Stützfläche 45 auf einer ringförmigen Stützleiste ausgeführt ist, die eine Mulde 53 begrenzt. Dabei stellt die Mulde 53 einen Ringgraben dar, wobei die Mulde 53 und der Ringgraben 25 einen Kreisring bilden. Ein Abschnitt 54 der Stützleiste 46 begrenzt sowohl die Mulde wie auch den Ringgrabenabschnitt.
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Eine äußere Stützleiste 55 der Mulde 53 und eine äußere Ventilsitzfläche 57 des Ringgrabens 25 weisen dieselben Durchmesser auf. Dasselbe Prinzip liegt auch für eine innere Stützleiste 59 und eine innere Ventilsitzfläche 61 vor, die dieselben Durchmesser aufweisen. Beide Stützleisten 55; 59 weisen denselben axialen Abstand zur Deckseite 41 auf.
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In der Mulde 53 ist mindestens eine Abflussöffnung 63 zu einem Arbeitsraum 65 im inneren Zylinder 11 (1) ausgeführt, die mindestens einer Drosselöffnung 67 in Abflussrichtung aus dem Ringgraben 25 in denselben Arbeitsraum 65 hydraulisch parallel geschaltet ist. Wie man der 5 entnehmen kann, verfügt die Mulde 53 über keine axialen Anschlusskanäle 21 wie der Ringgraben 25. Deshalb ist die Mulde 53 zu einem Arbeitsraum 69, über den der Ringgraben 25 über den Anschlusskanal 21 mit Dämpfmittel gespeist wird, abgeschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Arbeitsraum 69 mit dem Speicherraum 17 verbunden.
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Zwischen der Mulde 53 und dem Ringgraben 25 besteht eine Strömungsverbindung 71, die einen Drosselquerschnitt bildet. Bei diesem Bauprinzip nutzt man das Druckgefälle zwischen dem Ringgraben 25, der Mulde 53 und dem Arbeitsraum 65 im Zylinder 11. Es geht darum, dass in der Mulde 53 ein geringerer Druck herrscht als im Ringgraben 25. Dadurch werden bezogen auf eine konventionelle Ventilescheibe 29 mit einer kreisringförmigen Ventilsitzfläche bereichsweise unterschiedliche Abhubkräfte realisiert, die eine desachsierte hydraulisch resultierende Abhubkraft bilden.
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Wenn man die Strömungsverbindung 71 zwischen dem Ringgraben 25 und der Mulde 53 verschließen und auch die Abflussöffnung 63 fehlen lassen würde, dann würde sich bei einer Abhubbewegung der Ventilscheibe 29, initiiert durch eine Druckbeaufschlagung im Ringgraben 25, in der Mulde eine Unterversorgung mit Dämpfmittel einstellen, d. h. es würde ein Minderdruck auftreten. In Kombination mit einem Überdruck im Ringgraben 25 ergibt sich eine eindeutige Verlagerung des Druckmittelpunkts 47 nach radial außen in Richtung des Ringgrabens. Es könnte jedoch der Effekt auftreten, dass die Öffnungsbewegung der Ventilscheibe 29 zu abrupt wäre, wenn die Mulde 53 über den sichelförmigen Querschnitt am Innendurchmesser 53 der Mulde mit Dämpfmittel geflutet würde. Der Effekt ist maßgeblich von der Größe des Ringgrabens 25 im Verhältnis zur Größe der Mulde 53 abhängig.
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Man kann den Effekt verhindern, indem man die Abflussöffnung 63 und den Drosselquerschnitt der Strömungsverbindung 71 sinnvoll dimensioniert.
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Die Verschiebung des hydraulischen Druckpunkts folgt der Beziehung:
- AZLD = Drosselquerschnitt zwischen dem Ringgraben und der Mulde
- AALD = Querschnitt der Abflussöffnung in den Arbeitsraum des Zylinders
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Für die Auslegung des Dämpfventils 1 wäre noch zu beachten, dass der Drosselquerschnitt 71 zwischen dem Ringgraben 25 und der Mulde 53, sowie der Querschnitt der Abflussöffnung 67 Bestandteile eines Voröffnungsquerschnitts sind, der dann die Dämpfkraft bestimmt, wenn die Ventilscheibe 29 noch auf der Ventilsitzfläche 27 aufliegt.
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Der wirksame Voröffnungsquerschnitt
VÖ bestimmt sich nach der Gleichung:
KD = Drosselöffnung in Abflussrichtung aus dem Ringgraben
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Durchaus sinnvoll ist es, wenn die Drosselöffnungen 67 in der äußeren Ventilsitzfläche 57 des Ringgrabens 25 in einem Bereich mit maximalem Abstand zur Mulde 53 ausgeführt sind, um Klebeeffekt der Ventilscheibe 29 mit der Ventilsitzfläche 27 zu minimieren.
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Die beiden Effekte, die durch den c-förmigen Ringgraben und die Drosselquerschnitte der Mulde 53 auftreten, addieren sich vektoriell und können deshalb eindeutig dimensioniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dämpfventil
- 3
- Schwingungsdämpfer
- 5
- Dämpfventilkörper
- 7
- Boden
- 9
- äußerer Zylinder
- 11
- innerer Zylinder
- 13
- Stütze
- 15
- Radialkanal
- 17
- Speicherraum
- 19
- Arbeitsraum
- 21
- Anschlusskanal
- 23
- Austrittsöffnung
- 25
- Ringgraben
- 27
- Ventilsitzfläche
- 29
- Ventilscheibe
- 31
- Vorspannfeder
- 33
- Federteller
- 35
- Befestigungsniet
- 37
- Anschlusskanal
- 39
- Austrittsöffnung
- 41
- Deckseite
- 43
- axiale Erhebung
- 45
- Stützfläche
- 46
- Stützleiste
- 47
- Druckmittelpunkt
- 49
- Kippkante
- 51
- Endkante
- 54
- Trennsteg
- 55
- äußere Stützleiste
- 57
- äußere Ventilsitzfläche
- 59
- innere Stützleiste
- 61
- innere Ventilsitzfläche
- 63
- Abflussöffnung
- 65
- Arbeitsraum
- 67
- Drosselöffnung
- 69
- Arbeitsraum
- 71
- Strömungsverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017002566 A1 [0002]
- DE 102010040458 A1 [0002]
- JP 3123021 B2 [0002]
- DE 102014223086 A [0004]
