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Die Erfindung betrifft ein frequenzselektives Dämpfventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
EP 2 764 274 B1 ist ein frequenzselektives Dämpfventil bekannt, das bei einer hohen Anregungsfrequenz ein größere Dämpfkraft erzeugt als bei einer kleinen Anregungsfrequenz. Dieses besondere Betriebsverhalten ist insbesondere für Schlingerdämpfer an Schienenfahrzeugen wichtig.
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In der
EP 2 764 274 B1 führt ein Kolben in Abhängigkeit der Anregung eine Axialbewegung aus, bei der Dämpfmedium aus einem Steuerraum durch eine Drossel verdrängt wird. Bei hohen Anregungen bildet sich ein Staudruck im Steuerraum, der der Bewegung des Kolbens entgegensteht. Folglich kann der Kolben nur verzögert eine Axialbewegung ausführen und damit einen Strömungskanal freigeben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Variante eines frequenzabhängigen Dämpfventils zu realisieren, dass eine Mehrzahl von Einstellungsparametern bietet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Steuerdruck in dem Steuerraum von einem zum Ventilkörper separaten Steuerventilkörper bestimmt wird, der mit einer druckbeaufschlagten Fläche an einen zweiten Steuerraum angeschlossen ist, dessen Anschluss mit einer Drossel bestückt ist, wobei über den Druck im zweiten Steuerraum und einem Drosselquerschnitt der Drossel eine Verschiebebewegung des Steuerventilkörpers gesteuert wird.
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Durch die Zweiteilung des Dämpfventils stehen vergleichsweise viele Einstellparameter für die Anpassung des Dämpfventils an eine gewünschte Dämpfkraftkennlinie zur Verfügung. Mit einem relativ kleinen Steuerventil können große Dämpfkräfte erreicht werden, wobei das Steuerventil funktional als ein Druckbegrenzungsventil anzusehen ist.
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Im Hinblick auf eine einfache Ausgestaltung von Strömungskanälen innerhalb des Dämpfventils sind die Vorderseite und die Rückseite des Ventilkörpers über eine Durchtrittsöffnung miteinander verbunden, wobei die Rückseite eine größere druckbeaufschlagte Fläche darstellt als die Vorderseite. Über diese Durchtrittsöffnung wird das Steuerventil mit Dämpfmedium beaufschlagt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung beeinflusst der Steuerventilkörper einen Abfluss von Dämpfmedium aus dem Steuerraum. Bei minimalem Abfluss liegt die härteste Dämpfkrafteinstellung des Dämpfventils vor. Eine Abflusssteuerung vereinfacht den Gesamtaufbau des Dämpfventils.
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Deshalb ist auch vorgesehen, dass die Drossel des zweiten Steuerraums als eine Abflussdrossel ausgeführt ist. Das Dämpfventil ist als ein passiv gesteuertes Ventil ausgeführt, so dass über die Dimensionierung der Drossel das grundsätzliche Dämpfverhalten des Dämpfventils eingestellt wird.
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Im Hinblick auf eine möglichst schnelle Reaktion des Dämpfventils auf sich ändernde Anregungen auf das Dämpfventil weist der Steuerraum einen zum Steuerventil parallelen Füllkanal auf. Damit wird eine hydraulische Blockade einer Schließbewegung des Ventilkörpers verhindert.
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Damit das Dämpfventil nur eine definierte Strömungsrichtung aufweist, ist der Füllkanal mit einem in Füllrichtung sich öffnendes Rückschlagventil bestückt.
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Eine weitere Maßnahme zur Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit des Dämpfventils besteht darin, dass der zweite Steuerraum mit einem Nachführventil ausgeführt ist, das bei einer Schließbewegung des Steuerventils öffnet. Auch hier geht es um die Minimierung von hydraulischen Blockaden durch einen Unterdruck im zweiten Steuerraum.
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Im Hinblick auf ein eindeutiges Betriebsverhalten des Dämpfventils wird der Steuerventilkörper von einer Rückstellfeder in Schließrichtung des Steuerventils beaufschlagt.
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Zur einfachen Dimensionierung der Frequenzabhängigkeit des Dämpfventils ist das Steuerventil als ein Schieberventil ausgeführt.
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Im Gegensatz dazu ist der Ventilkörper Bestandteil eines Sitzventils. Das Sitzventil bietet die Möglichkeit, dass schon bei einem kurzen Hubweg des Ventilkörpers ein großer Übertrittsquerschnitt zur Verfügung steht und damit eine schnelle und wirkungsvolle Reaktion des Dämpfventils auf eine niederfrequente Anregung erreicht wird.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 Prinzipdarstellung eines Schwingungsdämpfers mit einem erfindungsgemäßen Dämpfventil
- 2 Dämpfventil als Einzelteil im geschlossenen Zustand
- 3 Dämpfventil nach 2 im geöffneten Zustand
- 4 - 6 Abwandlungen der Dämpfventile nach 2
- 7A - 7C Einbausituation des Dämpfventils
- 8 Alternative Bauform zu den Ausführungen 2 - 7
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Die 1 zeigt beispielhaft einen Schwingungsdämpfer 1 mit einem Zylinder 3, in dem eine Kolbenstange 5 mit einem daran befestigten Kolben 7 eine axiale Relativbewegung zueinander ausführen. An einem äußeren Ende der Kolbenstange 5 und einem Boden 9 des Zylinders 3 sind Anschlussorgane 11; 13 für die Befestigung des Schwingungsdämpfers 1 vorgesehen.
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Der Kolben 7 unterteilt den Zylinder 3 in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 15; 17. Beide Arbeitsräume 15; 17 sind vollständig mit einem hydraulischen Dämpfmedium gefüllt. In dem Kolben 7 ist mindestens ein frequenzselektives Dämpfventil 19 angeordnet. Optional kann der Schwingungsdämpfer 1 einen Boden 21 aufweisen, der den kolbenstangenfernen Arbeitsraum 17 von einem ebenfalls mit Dämpfmedium gefüllten Ausgleichsraum abtrennt. Ein Trennkolben 25 und ein Gaspolster 27 sorgen für eine Druckvorspannung im Ausgleichsraum 23. In dem Boden 9 ist ein Dämpfventil 27 für das von der Kolbenstange in den Ausgleichsraum 23 verdrängte Dämpfmediumvolumen und ein Rückschlagventil 20 für den Rückstrom des Dämpfmediums aus dem Ausgleichsraum 23 in den kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 17 angeordnet. Das Dämpfventil 27 in dem Boden 21 kann ebenfalls eine frequenzselektive Funktion aufweisen.
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Der Ausgleichsraum 23 ist hier beispielhaft in einem externen Gehäuse 31 ausgeführt. Vielfach verfügt der Schwingungsdämpfer 1 über einen äußeren Behälter, der den Zylinder einhüllt, so dass in einem Ringraum zwischen dem Zylinder und dem äußeren Behälter der Ausgleichsraum angeordnet ist.
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Der Schwingungsdämpfer 1 soll bei hochfrequenten Anregungen eine hohe Dämpfkraft und bei einer niederfrequenten Anregung eine geringere Dämpfkraft erzeugen. Diese besondere Anforderung dient bei Schwingungsdämpfern in Schienenfahrzeugen dazu, die Belastung bei der Durchfahrt einer Weiche oder einer Kurve zu minimieren. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten auf gerader Strecke soll jedoch eine hohe Stabilität des Fahrwerks gewährleistet sein, so dass dann eine große Dämpfkraft gefordert wird.
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Die 2 und 3 zeigen das frequenzselektive Dämpfventil 19 in der einfachsten Baustufe als separate Einheit. Das frequenzselektive Dämpfventil 19 umfasst ein äußeres Gehäuse 33, so dass es in ein übergeordnetes Gehäuse wie den Kolben 7 oder den Boden 21 einsetzbar und als getrennte Baueinheit herstellbar ist.
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Zwischen einem Boden 35 und einem Deckel 37 des Gehäuses 33 ist ein Ventileinsatz 39 fixiert. Der Ventileinsatz 39 verfügt über eine mehrfach gestufte Durchgangsöffnung 41, wobei ein von der Durchgangsöffnung 41 durchdrungener Boden 43 einen Steuerraum 45 für einen Ventilkörper 47 von einem Bereich für ein Steuerventil 49 trennt.
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Der Ventilkörper 47 stützt sich in der Ausgangsstellung des Dämpfventils 19 gemäß der 1, also wenn keine Anregung auf den Schwingungsdämpfer 1 einwirkt, auf einer innenseitigen Ventilsitzfläche 51 des Deckels 37 ab. Der Ventilkörper 47 weist eine topfförmige Grundform auf, wobei eine in Richtung des Steuerraums 45 weisende Rückseite 53 des Ventilkörpers 47 einen größeren Flächeninhalt aufweist als eine in Richtung einer Einströmöffnung 55 im Deckel 37 weisende Vorderseite 57 des Ventilkörpers. Die Vorderseite 57 und die Rückseite 53 des Ventilkörpers 47 sind über eine Durchtrittsöffnung 59 hydraulisch miteinander verbunden.
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Der im Boden 43 ausgeführte Bereich der Durchgangsöffnung nimmt einen bolzenförmigen Steuerventilkörper 61 auf, der sich auf einem Absatz 63 der Durchgangsöffnung 41 abstützt. Der Steuerventilkörper 61 wird von einer sich am Boden 35 des Gehäuses 33 abstützenden Rückstellfeder 65 in Schließrichtung des Steuerventils 49 beaufschlagt und befindet sich in einer Anschlagposition an dem Absatz 63 der Durchgangsöffnung. Das Wirkprinzip des frequenzselektiven Dämpfventils besteht darin, dass der Steuerdruck in dem Steuerraum 45 von dem zum Ventilkörper 47 separaten Steuerventilkörper 61 bestimmt wird, der mit einer rückseitigen druckbeaufschlagten Fläche 67 an einen zweiten Steuerraum 69 angeschlossen ist, dessen Anschluss 71 mit einer Drossel 73 bestückt ist, wobei über den Druck im zweiten Steuerraum 63 und dem Drosselquerschnitt der Drossel 73 eine Verschiebebewegung des Steuerventilkörpers 61 gesteuert wird. Der Druck im Steuerraum 45 wird über den Abfluss von Dämpfmedium aus dem zweiten Steuerraum 63 beeinflusst. Dabei erstreckt sich der zweite Steuerraum 63 zwischen der druckbeaufschlagten rückseitigen Fläche 67 am Steuerventilkörper 61 und der Innenseite des Bodens 35 im Bereich der Durchgangsöffnung 59.
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Das Steuerventil 49 ist zusammen mit einem Abflusskanal 75 des Steuerraums 45 als ein Schieberventil ausgeführt. Der Abflusskanal 75 erstreckt sich durch den Boden 43 zwischen der Durchgangsöffnung 59 im Bereich des Steuerventilkörpers 61 und einem Austrittskanal 77 des Dämpfventils 19, der von der Ventilsitzfläche 51 bis zum Boden 35 des Dämpfventils 19 verläuft.
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Die Drossel 73 des zweiten Steuerraums 69 ist ebenfalls als eine passive Abflussdrossel ausgeführt. Passiv ist so zu verstehen, dass der Abflussquerschnitt durch die Drossel 73 unverstellbar ist. Dazu ist in dem Boden 35 des Gehäuses 33 der entsprechende Anschluss 71 eingebracht. Der wirksame Querschnitt der Drossel 73 kann für den Anwendungsfall jedoch leicht angepasst werden, in dem eine zum Boden 35 separate Drosselscheibe 79 eingesetzt wird. Der Boden 35 verfügt über einen größeren Anschluss 71 als die Drossel 73. Die Drosselscheibe 79 und die Rückstellfeder 65 bilden ein Nachführventil, das bei einer Schließbewegung des Steuerventils 49 öffnet und Dämpfmedium aus einem der Arbeitsräume oder dem Ausgleichsraum über den geöffneten Anschluss 71 nachströmen lässt. Damit soll ein Unterdruck im zweiten Steuerraum 67, der die Schließbewegung des Steuerventilkörpers 61 verzögern könnte, vermieden werden.
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Die 2 zeigt einen Betriebszustand des frequenzselektiven Dämpfventils 19, der sowohl bei Stillstand wie auch bei einer hochfrequenten Anregung eingenommen wird. Bei einer hochfrequenten Anregung baut sich auf der Vorderseite 57 des Ventilkörpers alternierend ein hoher Druck auf, der sich über die Durchtrittsöffnung 59 im Ventilkörper auch im Steuerraum 45 fortsetzt. Aufgrund der größeren druckbeaufschlagten rückseitigen Fläche 53 des Ventilkörpers 47 nimmt der Ventilkörper die dargestellte geschlossene Position auf der Ventilsitzfläche 51 des Deckels ein.
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Der Druck im Steuerraum 45 wirkt auch auf den Steuerventilkörper 61. Dessen druckbeaufschlagte Fläche in Richtung des ersten Steuerraums 45 ist kleiner als in Richtung des zweiten Steuerraums 69, indem ebenfalls ein Druck herrscht. Jede Bewegung des Steuerventilkörpers 61 in Richtung des Bodens 35 erzeugt über die Drossel 73 eine Dämpfkraft in Richtung des ersten Steuerraums 45, also in Schließrichtung des Steuerventils 49. Zusätzlich wirkt noch die Kraft der Rückstellfeder 65. Oberhalb einer Grenzfrequenz kann das Steuerventil 49 keinen ausreichenden Stellweg zur Freigabe des Abflusskanals 75 zurücklegen. Dann bleibt das Steuerventil 49 in der geschlossenen Position, der Abfluss aus dem ersten Steuerraum 45 ist blockiert, so dass im ersten Steuerraum 45 ein nahezu identischer Druck vorherrscht wie auf der Vorderseite 57 des Ventilkörpers. Folglich bleibt auch der Ventilkörper 47 in der geschlossenen Position.
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Bei einer Anregung des Dämpfventils 19 unterhalb der Grenzfrequenz stellt sich ein Betriebszustand des Dämpfventils gemäß der 3 ein. Aufgrund der niederfrequenten Anregung wird auch der Steuerventilkörper 61 niederfrequent belastet. Dieses Belastungsprofil setzt sich auf den zweiten Steuerraum 69 fort. Die Drossel 73 des zweiten Steuerraums 69 entwickelt eine deutlich geringere Dämpfkraft, so dass die resultierende Schließkraft auf den Steuerventilkörper 61 nicht ausreicht, um diesen in der Schließposition nach 2 zu halten. Das Steuerventil 49 gibt den Abflusskanal 75 mehr oder weniger frei, so dass der Druck im ersten Steuerraum 45 abfällt. Dadurch hebt der Ventilkörper von der Ventilsitzfläche 51 ab und das Dämpfmedium kann über den Austrittskanal 77 aus dem Dämpfventil 19 abfließen.
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Die Ausführung des Dämpfventils 19 nach 4 unterscheidet sich von der Ausführung nach den 2 und 3 dadurch, dass der Ventilkörper 45 von einer Schließfeder 81 in seine Schließposition auf der Ventilsitzfläche 51 vorgespannt wird. Damit wird die Dynamik des Dämpfventils 19 gesteigert. Des Weiteren bildet nicht mehr die vordere Stirnfläche des Steuerventilkörpers 61 den beweglichen Teil des Steuerventils 49, sondern ein Radialkanal 83, der mit einem Axialkanal 85 ausgehend vom ersten Steuerraum 45 zusammenwirkt. Der Radialkanal 83 bietet größere Gestaltungsspielräume, um den Übertrittsquerschnitt des Steuerventils 49 besser einer Querschnitts-Hubweg-Charakteristik des Steuerventils 49 anpassen zu können.
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Die 5 zeigt ein Dämpfventil 19, bei dem im Zustromweg zum Ventilkörper 47 ein Vorventil 87 mit mindestens einer Ventilscheibe 89 vorgeschaltet ist. Dadurch kann das Druckniveau auf der Vorderseite 57 des Ventilkörpers 47 und damit auch im Steuerraum 45 reduziert werden. Dieser reduzierte Steuerraumdruck 45 wirkt sich in der Folge auch auf die Druckverhältnisse im zweiten Steuerraum 69 aus, so dass mit einer Auswahl der Ventilscheibe(n) 89 das Betriebsverhalten eines standardisierten frequenzabhängigen Dämpfventils 19 maßgeblich beeinflussbar ist.
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In der 6 ist der Abflusskanal 75 des Dämpfventils 19 mit einem Rückschlagventil 91 bestückt, dass in Abflussrichtung öffnet. Damit wird verhindert, dass bei einer Umkehr der Anströmung, d. h. bei einer Anströmung des Dämpfventils 19 über den Boden 35 Dämpfmedium über den Austrittskanal 77 und weiter in den Abflusskanal 75 eindringen kann, um dann an dem ggf. noch nicht ganz geschlossenen Steuerventil 49 in den ersten Steuerraum 45 und weiter auf die Vorderseite 57 des Ventilkörpers 47 zu gelangen und damit eine Strömungsverbindung zwischen zwei Arbeitsräumen 15; 17; 23 vorläge.
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Die 7A bis 7C zeigen beispielhaft, wie eine konstruktive Umsetzung des Dämpfventils nach den Prinzipien der 2 bis 6 aussehen könnte. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung ist der Ventileinsatz 39 in zwei gestufte Hülsen 39A; 29B zweigeteilt. Dadurch ist der Boden 43 ebenfalls zweigeteilt 43A; 43B. Weiterführend zu den anderen Varianten verfügt das Dämpfventil nach 7A über einen zum Steuerventil 49 parallelen Füllkanal 93, der von einem Arbeitsraum in den Steuerraum mündet. Der Füllkanal ist mit einem in Füllrichtung des Steuerraums 45 sich öffnendes Rückschlagventil 95 bestückt. Das Rückschlagventil 95 wird von einer Ventilscheibe 97 gebildet, die die Mündung des Füllkanals 93 abgedeckt und von der Schließfeder 81 des Ventilkörpers 47 belastet ist.
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Der Füllkanal 93 verläuft radial innerhalb eines Teilkreises für den mindestens einen Austrittskanal 77, der mit einem Rückschlagventil 97 bestückt ist, das einen Eintritt von Dämpfmedium in den Austrittskanal 77 verhindert. Radial innerhalb einer Rückschlagventilscheibe 99 des Rückschlagventils 97 kann das Dämpfmedium ungehindert in den Füllkanal 93 einströmen.
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Des Weiteren verfügt das Dämpfventil 19 nach der 7a über einen Versorgungskanal 101 zwischen dem Abflusskanal 75 und einem Rückraum 103 des Steuerventils 49, der sich bei einer Verschiebebewegung des Steuerventilkörpers 61 in Richtung der Drossel 73 vergrößert. Über diese Maßnahme wird ebenfalls die Dynamik des Steuerventils 49 verbessert.
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Die
7B zeigt beispielhaft das Dämpfventil
19 unter realen Bauraumverhältnissen in einem Kolben
7 des Schwingungsdämpfers
1. In der Draufsicht nach
7C ist die Bauraumsituation deutlich erkennbar. Dadurch ist es möglich, zusätzliche konventionelle Dämpfventile
105 im Kolben
7 oder auch im Boden
21 einzusetzen, wie z.B. der
DE 10 2015 212 535 A1 offenbart ist. Der gesamte Inhalt der
DE 10 2015 212 535 A1 ist als Beschreibung für diese Erfindung anzusehen.
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Mit der 8 soll verdeutlicht werden, dass das Steuerventil 49 im Dämpfventil 19 auch abweichend als ein Sitzventil ausgeführt sein kann, wobei eine Ventilsitzfläche 107 für den Steuerventilkörper 61 von der Rückseite 53 des Ventilkörpers 47 gebildet wird. In dem Ventilkörper 47 ist ein Steuerkanal 109 ausgeführt, der den Steuerraum 45 mit dem Steuerventil 49 verbindet. In Abhängigkeit der Drosselwirkung am Steuerventil 49 stellt sich im ringförmigen Steuerraum 45 ein Schließdruck ein. Da die druckbeaufschlagte Fläche auf der Vorderseite 57 des Ventilkörpers 47 größer ist als die druckbeaufschlagte Rückseite zum Steuerraum 45 besteht die Tendenz zur Abhubbewegung des Ventilkörpers 47 von der Ventilsitzfläche 51.
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Wenn also das Steuerventil 49 aufgrund einer Druckbeaufschlagung im Steuerkanal eine Öffnungsstellung einnimmt, dann bewegt sich der Steuerventilkörper 61 dabei in Richtung des zweiten Steuerraums 69. Der Ventilkörper 47 folgt dieser Verstellbewegung, wobei ein Kräftegleichgewicht aus hydraulischer Öffnungskraft auf den Ventilkörper 47, hydraulische Schließkraft im Druckraum 45 auf den Ventilkörper 47, mechanische Schließkraft auf den Ventilkörper 47 von der Schließfeder 81, mechanische Schließkraft der Rückstellfeder 65 auf den Steuerventilkörper 61 und hydraulischer Öffnungskraft auf den Steuerventilkörper sowie der Dämpfkraft der Drossel 73 auf den Steuerventilkörper 61 zu einem definierten Drosselquerschnitt zwischen dem Ventilkörper 47 und dem Steuerventilkörper 61 führen.
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Auch bei dieser Variante muss eine Grenzfrequenz bei der Anströmung des Ventilkörpers 57 und des Steuerventilkörpers unterschritten werden, damit die Dämpfkraft der Drossel 73 gering genug bleibt, um den Steuerventilkörper 61 bewegen zu können, damit in der Folge auch der Ventilkörper 47 eine Öffnungsbewegung ausführen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingungsdämpfer
- 3
- Zylinder
- 5
- Kolbenstange
- 7
- Kolben
- 9
- Boden
- 11
- Anschlussorgan
- 13
- Anschlussorgan
- 15
- kolbenstangenseitiger Arbeitsraum
- 17
- kolbenstangenferner Arbeitsraum
- 19
- Dämpfventil
- 21
- Boden
- 23
- Ausgleichsraum
- 25
- Trennkolben
- 27
- Dämpfventil
- 29
- Rückschlagventil
- 31
- Gehäuse
- 33
- Gehäuse
- 35
- Boden
- 37
- Deckel
- 39
- Ventileinsatz
- 41
- Durchgangsöffnung
- 43
- Boden
- 45
- Steuerraum
- 47
- Ventilkörper
- 49
- Steuerventil
- 51
- Ventilsitzfläche
- 53
- Rückseite
- 55
- Einströmöffnung
- 57
- Vorderseite
- 59
- Durchtrittsöffnung
- 61
- Steuerventilkörper
- 63
- Absatz
- 65
- Rückstellfeder
- 67
- rückseitige Fläche
- 69
- zweiter Steuerraum
- 71
- Anschluss
- 73
- Drossel
- 75
- Abflusskanal
- 77
- Austrittskanal
- 79
- Drosselscheibe
- 81
- Schließfeder
- 83
- Radialkanal
- 85
- Axialkanal
- 87
- Vorventil
- 89
- Ventilscheibe
- 91
- Rückschlagventil
- 93
- Füllkanal
- 95
- Rückschlagventil
- 97
- Rückschlagventil
- 99
- Rückschlagventilscheibe
- 101
- Versorgungskanal
- 103
- Rückraum
- 105
- konventionelles Dämpfventil
- 107
- Ventilsitzfläche
- 109
- Steuerkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2764274 B1 [0002, 0003]
- DE 102015212535 A1 [0037]
