-
Die Erfindung betrifft eine Dämpfventileinrichtung für einen Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Aus der
DE 10 2016 210 790 A1 ist eine Dämpfventileinrichtung bekannt, bei der ein radial aufweitbares Ventilelement mit einer Strömungsleitfläche eine Drosselstelle bildet, die mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit eine höhere Dämpfkraft erzeugt, indem sich ein Drosselquerschnitt bzgl. seiner Größe verringert und damit einer progressive Dämpfkraftkennlinie folgt.
-
Das Ventilelement ist in einer Ringnut gekammert und wird von einem elastischen Begrenzungsring nach radial innen vorgespannt. Das Ventilelement kann einen Radialschlitz aufweisen, um die notwendigen Kräfte für eine Aufweitbewegung zu reduzieren.
-
Bei einer Drossel dieser Bauform besteht das grundsätzliche Problem, dass die Progression der Dämpfkraftkennlinie sehr ausgeprägt ist. Sobald eine Grenzströmungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums innerhalb der Drosselstelle überschritten ist, steigt die Dämpfkraft unvermittelt stark an. Dieses Betriebsverhalten kann für einige Anwendungen durchaus gewollt sein, stellt jedoch für andere Anwendungen einen Nachteil dar.
-
Die gattungsbildenden
DE 10 2020 209 121 A1 zeigt in der Ausführung nach
4 eine Dämpfventileinrichtung, bei der mittels eines Aktuators in der Bauform einer Schraube die Vorspannung der Rückstellfeder eingestellt werden kann, die wiederum eine Begrenzungsfunktion für die Aufweitbewegung des Ventilelements in Richtung der Strömungsleitfläche ausübt.
-
Aus der
DE 10 2020 209 113 A1 ist eine Dämpfventileinrichtung mit einem ringförmigen Ventilelement innerhalb eines Druckraums bekannt. Die Aufweitbewegung des Ventilelements in Richtung der Strömungsleitfläche wird von Dämpfventileinrichtung begrenzt, s.
8, die einen Verdrängerkörper innerhalb eines Druckraums aufweist.
-
Die ältere
DE 10 2022 200 977 A1 betrifft ebenfalls eine Dämpfventileinrichtung, bei der jedoch zwei radial aufweitbare ringförmige Ventilelemente axial gestapelt in einer Ringnut eines Ventilträgers angeordnet sind. Die die Aufweitbewegung der Ventilelement bestimmenden Anschläge sind nicht verstellbar.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil zu minimieren.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Die Verwendung von zwei im Durchmesser veränderbaren Ventilelementen vergrößert die Gestaltungsmöglichkeit bei der Auslegung der Dämpfkraftkennlinie der Dämpfventileinrichtung hin zu einer Dämpfkraftkennlinie mit zwei Progressionsbereichen. Die Gestaltungsmöglichkeit wird durch den verstellbaren Anschlag zusätzlich deutlich erweitert.
-
Konstruktiv kann man dazu vorsehen, dass die Ventilelemente einen unterschiedlich großen Verstellweg aufweisen. Man kann dazu beispielsweise zwei identische Ventilelemente einsetzen, so dass die Dämpfventileinrichtung einen sehr einfachen aufweist.
-
Durch die Anordnung der beiden Ventilelemente in einem gemeinsamen Ventilträger vereinfacht sich der Montageaufwand innerhalb des Schwingungsdämpfers und der axiale Bauraumbedarf kann reduziert werden.
-
Zur Unterstützung der radialen Verstellbewegung der Ventilelemente weist der Ventilträger einen Druckraum auf, dessen Druckkraft auf die Ventilelemente eine radiale Verstellkraft ausübt, wobei die beiden Ventilelemente an einem gemeinsamen Druckraum angeschlossen sind.
-
Im Hinblick auf eine einfache Ausgestaltung wird der Druckraum von einer Ringnut gebildet, in der die mindestens zwei Ventilelemente axial gestapelt angeordnet sind.
-
Zur Minimierung und Vereinfachung der Dämpfventileinrichtung weisen die Ventilelemente einander zugewandte Gleitflächen auf.
-
Im Hinblick auf eine einfache räumliche Ausgestaltung des Ventilträgers weist das erste Ventilelement einen Anschlag auf, der den Verstellweg des zweiten Ventilelements in Richtung der Strömungsleitfläche begrenzt.
-
Optional weist eine dem Druckraum zugewandte Mantelfläche des ersten Ventilelements einen größeren Flächeninhalt auf als eine dem Druckraum zugewandten Mantelfläche des zweiten Ventilelements. Über die Größe der druckbeaufschlagten Fläche können die Verstellgeschwindigkeit und die Reihenfolge der Einsatzpunkte der Ventilelemente bestimmt werden.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung werden die Ventilelemente von separaten Rückstellfedern beaufschlagt. Die Rückstellfedern sorgen für eine definierte Ausgangsstellung beider Ventilelemente. Die Ausgangstellung der beiden Ventilelemente kann durchaus unterschiedlich sein, um unterschiedliche Aufweitwege der Ventilelemente zu erreichen.
-
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit Rückstellfedern mit unterschiedlicher Federkraftkennlinie einzusetzen, womit ein zusätzlicher Einstellparameter zur Verfügung steht.
-
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
-
Es zeigt:
- 1 Schnittdarstellung durch einen Schwingungsdämpfer im Bereich der Dämpfventileinrichtung
- 2 Detaildarstellung der Dämpfventileinrichtung nach 1
- 3 Alternativvariante zur 2
- 4 Dämpfkraftkennline der Dämpfventileinrichtungen nach den 1 bis 3
-
Die 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Dämpfventileinrichtung 1 für einen nur ausschnittsweise dargestellten Schwingungsdämpfer 3 beliebiger Bauweise. Neben der Dämpfventileinrichtung 1 umfasst der Schwingungsdämpfer 3 ein erstes Dämpfventil 5 mit einem als Kolben 7 ausgeführten Dämpfventilkörper, der an einer Kolbenstange 9 befestigt ist.
-
Der Dämpfventilkörper 7 unterteilt einen Zylinder 11 des Schwingungsdämpfers in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 13; 15, die beide mit Dämpfmedium gefüllt sind. In dem Dämpfventilkörper 7 sind Durchtrittskanäle 17; 19 für jeweils eine Durchströmungsrichtung auf unterschiedlichen Teilkreisen ausgeführt. Die Ausgestaltung der Durchtrittskanäle 17; 19 ist nur beispielhaft anzusehen. Eine Austrittsseite der Durchtrittskanäle 17; 19 ist mit mindestens einer Ventilscheibe 21; 23 zumindest teilweise abgedeckt.
-
Zusätzlich verfügt der Schwingungsdämpfer über einen Zuganschlag 25, der ab einer definierten Ausfahrbewegung der Kolbenstange 9 an einer zylinderseitigen Anschlagfläche, z.B. einer Kolbenstangenführung 27, zur Anlage kommt.
-
Der Zuganschlag 25 umfasst einen Ventilträger 29, der direkt an der Kolbenstange durch eine Formschlussverbindung fixiert ist. Auf einer Oberseite des Ventilträgers 29 ist beispielhaft ein ringförmiges Elastomerelement 31 aufgelegt, das über eine geringe radiale Vorspannung auch bei einer Schwingbewegung der Kolbenstange 9 gehalten wird. Das Elastomerelement 31 wirkt ab dem Anschlagpunkt an der Anschlagfläche als zusätzliche Stützfeder.
-
Der Ventilträger 29 weist eine umlaufende Nut 33 auf, in der ein im Durchmesser veränderbares Ventilelement 35 geführt ist. Dieses Ventilelement 35 ist radial beweglich oder radial elastisch und bildet einen Ventilkörper für eine Drosselstelle 37 als Teil der Dämpfventileinrichtung 1. Das Ventilelement 35 bildet mit einer Innenwandung des Zylinders 11 die Drosselstelle 37, wobei die Innenwandung 39 eine Strömungsleitfläche darstellt. Grundsätzlich kann die Erfindung auch in einem vom Zuganschlag unabhängigen Ventilträger ausgeführt sein.
-
Außenseitig trägt das Ventilelement 35 eine Rückstellfeder 41, z. B. in der Ausführung eines Sicherungsrings. Zwischen der Innenwandung 39 und einer äußere Mantelfläche 43 des Ventilelements 35 liegt ein variabler Drosselquerschnitt 45 vor, der eine zusätzliche Dämpfkraft erzeugt.
-
Bei einer Kolbenstangengeschwindigkeit in einem ersten Betriebsbereich, z. B. kleiner 0,5m/s, ist die Drosselstelle 37 vollständig geöffnet. Die Dämpfkraft wird dann nur von den Durchtrittskanälen 17; 19 in Verbindung mit den Ventilscheiben 21; 23 erzeugt. Bei einer Anströmung der Ventilscheiben 21; 23 heben die Ventilscheiben 21; 23 von ihrer Ventilsitzfläche 47; 49 ab. Die Abhubbewegung wird jeweils von einer Stützscheibe 51; 53 begrenzt.
-
In einem zweiten Betriebsbereich mit einer Kolbenstangengeschwindigkeit, die größer ist als die Grenzgeschwindigkeit des ersten Betriebsbereichs, also größer als die beispielhaft angegebenen 0,5m/s, geht das Ventilelement 35 in eine Drosselstellung über und führt dabei eine Schließbewegung in Richtung der Strömungsleitfläche 39 aus. Bedingt durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums in der als Ringspalt geformten Drosselstelle 37 bildet sich ein Unterdruck, der zu einer radialen Aufweitung des Ventilelements 35 führt.
-
Die 2 zeigt eine Vergrößerung der Dämpfventileinrichtung 1 nach 1 ohne Darstellung einer beliebigen Befestigungstechnik des Ventilträgers 29 an der Kolbenstange 9. In dieser Vergrößerung ist deutlich erkennbar, dass die Dämpfventileinrichtung 1 mindestens zwei im Durchmesser veränderbare Ventilelemente 35A; 35B für eine gemeinsame Strömungsrichtung des Dämpfmediums aufweist.
-
Die mindestens zwei im Durchmesser veränderbaren Ventilelemente 35A: 35B bilden einen unterschiedlichen minimalen Querschnitt SminA; SminB an der Drosselstelle 37.
-
Die Ventilelemente 35A; 35B führen bei einer Schließbewegung bzw. bei einer Verengung der Drosselstelle 37 einen unterschiedlich großen Verstellweg aus. In der Ausführung nach 2 sind die mindestens zwei Ventilelemente 35A; 35B axial gestapelt in dem gemeinsamen Ventilträger 29 angeordnet. Der Ventilträger 29 weist eine scheibenförmige Grundform mit der Ringnut 33 auf.
-
Die Ringnut 33 im Ventilträger 29 bildet einen ringförmigen Druckraum 55, der mindestens eine Zuström- und mindestens eine Abströmöffnung 57; 59 aufweist, die beide an den kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 13 angeschlossen sind. Die Zuströmöffnung 57 verbindet den Arbeitsraumbereich zwischen dem Kolben 7 und dem Ventilträger 29 mit dem Druckraum 55. Die Abströmöffnung 59 lässt das Dämpfmedium in den Arbeitsraumbereich zwischen dem Ventilträger 29 und der Kolbenstangenführung 27 entweichen. Die beiden Ventilelemente 35A; 35B begrenzen nach radial innen den Druckraum 55 zusammen mit einer Ringnutgrundfläche 61 und zwei Ringnutseitenflächen 63; 65. Beide Ventilelemente 35A; 35B sind somit an den gemeinsamen Druckraum 55 angeschlossen. Der Druck im Druckraum 55 übt in Abhängigkeit des Druckniveaus auf dem Druckraum 55 zugewandten Mantelflächen 67; 69 der Ventilelemente 35A; 35B eine radiale Verstellkraft aus. Das Druckniveau ist Abhängigkeit von der axialen Arbeitsgeschwindigkeit der Kolbenstange 9 und den Querschnitten der Zuström- und der Abströmöffnung 57; 59. Je kleiner das Querschnittsverhältnis von Abströmöffnung/Zuströmöffnung ausgelegt ist, umso höher ist das Druckniveau in Relation zur Arbeitsgeschwindigkeit der Kolbenstange 9. Damit wird die Druckkraft im Druckraum 55 gleichzeitig mit der Unterdruckkraft innerhalb der Drosselstelle 37 wirksam.
-
Ein weiterer Parameter zur Einstellung der Dämpfventileinrichtung 1 besteht in der Dimensionierung der druckbeaufschlagten Flächen der Ventilelemente 35A; 35B zu dem Druckraum 55. In dem vorliegenden Beispiel weist die dem Druckraum 55 zugewandte Mantelfläche 67 des ersten Ventilelements 35A einen größeren Flächeninhalt auf, als eine dem Druckraum 55 zugewandten Mantelfläche 69 des zweiten Ventilelements 35B. Damit wird das erste Ventilelement 35A mit einer größeren Radialkraftkomponente beaufschlagt als das zweite Ventilelement 35B.
-
Die Ventilelemente 35A; 35B sind nicht nur axial gestapelt, sondern verfügen über einander zugewandte direkt gekoppelte Gleitflächen 71; 73. Diese Gleitflächen 71; 73 sind für eine radiale Relativbewegung zwischen den beiden Ventilelementen 35A; 35B ausgelegt.
-
In der Vergrößerung der Dämpfventileinrichtung 1 ist erkennbar, dass ein am Ventilträger 29 ausgeführter erster Anschlag 75 die radiale Verstellbewegung des ersten Ventilelements 35A in Richtung der Strömungsleitfläche 39 limitiert.
-
Das zweite Ventilelement 35B wirkt mit einem zweiten Anschlag 77 zur Definition der minimalen Durchlassstellung SminB zusammen. Dieser Anschlag 77 ist der Ringnutseitenfläche 65 angeordnet, wobei sich der zweite Anschlag 77 axial in Richtung des Ventilelements 35B erstreckt.
-
Ausgehend von der maximalen Durchlassstellung der Ventilelemente 35A; 35B innerhalb der Dämpfventileinrichtung, symbolisiert durch die gestrichelte Linie, baut sich bei der Durchströmung der Drosselstelle 37 ein Unterdruck auf, der eine erste nach radial außen wirkende Kraftstellkomponente in Richtung der Strömungsleitfläche 39 erzeugt. Diese Kraftkomponente wirkt beispielhaft insbesondere auf das zweite Ventilelement 35B, das einen geringeren Abstand zur Strömungsleitfläche 39 aufweist. Es baut sich bei einer Betriebsbewegung der Kolbenstange 9 im Druckraum 55 eine Druckkraft auf, die beide Ventilelemente 35A; 35B nach radial außen in Richtung der Strömungsleitfläche 39 bewegt.
-
Beide die Ventilelemente 35A; 35B werden von separaten Rückstellfedern 41 A; 41 B beaufschlagt. Dadurch ist es möglich unterschiedliche Rückstellkräfte auf die Ventilelemente 35A; 35B wirken zu lassen. Die Rückstellkräfte bestimmen maßgeblich das Druckniveau im Druckraum 35 das notwendig ist, um eine signifikante Dämpfkraftänderung an der Drosselstelle 37 zu bewirken. In der 2 weisen die Rückstellfedern 41A; 41B einen deutlich unterschiedlichen Innendurchmesser auf, so dass sie allein dadurch eine unterschiedliche Federkraftkennlinie aufweisen.
-
Ein Deckel 79 des Ventilträgers 25 ist axial zu einem Grundkörper 29G des Ventilträgers 29 verstellbar ist, wobei über diese Axialbeweglichkeit eine radiale Verstellung des Anschlags 75 erfolgt. Eine Spannfeder 81 ist entgegen der Axialbewegung des Deckels 79 wirksam und drückt damit einen Aktuator 83, der mit dem Deckel 79 verbunden ist, in eine Ausgangsposition zurück, bei der der Anschlag 75 den größten Wirkdurchmesser für das Ventilelement 35A aufweist.
-
Über die Axialposition des Aktuators 83 zum Grundkörper kann der Wirkdurchmesser des Anschlags 75 stufenlos eingestellt werden. Der Aktuator ist innerhalb der Kolbenstange angeordnet und kann händisch oder mittels Fremdenergie betrieben werden.
-
Mindestens ein Kontaktflächenbereich des Ventilelements 29 weist eine Konusfläche 85 auf. In diesem Ausführungsbeispiel verfügen sowohl der Anschlag 75 wie auch das Ventilelement 35A über eine Konusfläche 85 mit demselben Konuswinkel.
-
Der Wirkdurchmesser wird von dem Kontaktpunkt der Konusfläche mit dem Anschlag 75 bestimmt.
-
Wenn das erste Ventilelement 35A an dem Anschlag 75 des Ventilträgers 29 anliegt, dann wirkt die Druckkraft im Druckraum 55 weiterhin auf die beiden Ventilelemente 35A; 35B. Das erste Ventilelement 35A bleibt in der Anschlagposition, mit der minimalen Durchlassstellung SminA hingegen wird das zweite Ventilelement 35B gegen die Kraft der Rückstellfeder 41B weiter in Richtung der Strömungsleitfläche 39 verschoben. Ggf. verlangsamt sich die radiale Aufweitbewegung des Ventilelements 35B in Richtung der Strömungsfläche 39, wenn das erste Ventilelement 35A blockiert ist, da die Aufweitkraft bedingt durch die dann kleinere druckbeaufschlagte innere Mantelfläche 69 des zweiten Ventilelements 35B geringer ist als zu Anfang der Aufweitbewegung, bei der beide innere Mantelflächen 67; 69 gegen ihre Rückstellfedern 41A; 41B am Anschlag 41A; 41B wirksam waren. Wenn das zweite Ventilelement 35B am Anschlag 77 anliegt, dann verbleibt ein minimaler Drosselquerschnitt SminB.
-
Die Ausführung nach 3 folgt dem Funktionsprinzip entsprechend der Dämpfventileinrichtung gemäß der 2. Abweichend weist das erste Ventilelement 35A den zweiten Anschlag 77 auf, der den Verstellweg des zweiten Ventilelements 35B in Richtung der Strömungsleitfläche 39 begrenzt. Funktional besteht damit eine Abhängigkeit des zweiten Anschlags 77 von dem verstellbaren Anschlag 75, da über die beiden Ventilelemente 35A; 35B eine Reihenschaltung vorliegt. Wenn das erste Ventilelement 35A einen über den verstellbaren ersten Anschlag 75 größeren maximalen Durchmesser aufweisen kann, dann wächst der maximale Durchmesser des zweiten Ventilelement 35B um exakt diesen Durchmesserbereich an. Die Rückstellbewegung der beiden Ventilelement erfolgt in Abhängigkeit der druckbeaufschlagten Flächen 67; 69 der Ventilelemente und der Rückstellkräfte der Rückstellfedern 41A; 41B. Auch in der 3 ist ein gemeinsamer Innendurchmesser der beiden Ventilelemente dargestellt. Diese Auslegung ist jedoch keinesfalls zwingend erforderlich.
-
Die 4 zeigt eine typische Geschwindigkeit-Dämpfkraft-Kennlinie der Dämpfventileinrichtung 1 im Zusammenwirken mit dem Dämpfventil 5. Die Dämpfkraftkennlinie K5 beschreibt die Funktion des Dämpfventils 5. Die Kennlinien K35A und K35B stehen für die Dämpfkrafteigenschaften der Dämpfventileinrichtung 1. Ein Übergangspunkt P1 wird unter anderem von der maximalen Durchlassstellung der Ventilelemente 35A; 35B bestimmt. Bei ansonsten gleicher konstruktiver Ausgestaltung der Dämpfventileinrichtung verlagert sich der Übergangspunkt P1 bei einem größeren Querschnitt der Drosselstelle 37 in der maximalen Durchlassstellung tendenziell zu größeren Strömungsgeschwindigkeiten. Im Betriebspunkt P2 hat das Ventilelement 35A seine maximale Aufweitposition am Anschlag 75 und damit die minimale Durchlassstellung SminA erreicht. Die Dämpfkraftkennlinie steigt deutlich progressiver. Ab dem Übergangspunkt P3 wird der wirksame Drosselquerschnitt von dem Ventilelement 35B bestimmt, das sich über den Durchmesser des Ventilelements 35A hinaus in Richtung der Strömungsleitfläche 39 aufweiten kann. Ob die Ventilelemente 35A; 35B sich bis zum ersten Anschlag 75 am Betriebspunkt P2 synchron oder zeitlich deutlich versetzt bewegen, wirkt sich auf die Dämpfkraft nicht aus.
-
Ab dem Betriebspunkt P4 hat aus das zweite Ventilelement seine minimale Durchlassposition SminB am Anschlag 77 erreicht und bestimmt ab diesem Betriebspunkt P4 die weitere Dämpfkraftcharakteristik der Dämpfventileinrichtung 1.
-
Die beiden Dämpfventileinrichtungen nach den 2 und 3 folgen dem qualitativen Verlauf der Dämpfkraftkennlinien nach 4. Der Unterschied besteht im Einfluss des verstellbaren Anschlags 75. Mit der Ausführung nach 2 wird der Betriebspunkt P2 verändert, ohne einen Einfluss auf den Betriebspunkt P4 zu nehmen. Bei einem reduzierten Wirkdurchmesser des Anschlags 75 verbleibt ein größerer Minimalquerschnitt am Ventilelement, so dass eine geringere Dämpfkraft bezogen auf eine Strömungsgeschwindigkeit möglich ist. Die Dämpfkraftkennlinie K35A verläuft damit tendenziell flacher.
-
Bei der Ausführung nach 3 wird über eine Änderung des wirksamen Durchmessers des Anschlags 75 für das Ventilelement 35A die Steigung der Kennlinie K35A und damit des Betriebspunkts P2 und durch die damit verbundene Änderung des wirksamen Durchmessers des Anschlags 77 für das Ventilelement 35B auch die Steigung der Kennlinie K35B verändert. Mit dem Aktuator 83 werden damit bei der Dämpfkraftkennlinie K35A; K35B und die damit verbundenen Betriebspunkte P2; P3 und P4 verändert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Dämpfventileinrichtung
- 3
- Schwingungsdämpfer
- 5
- erstes Dämpfventil
- 7
- Dämpfventilkörper
- 9
- Kolbenstange
- 11
- Zylinder
- 13
- kolbenstangenseitiger Arbeitsraum
- 15
- kolbenstangenferner Arbeitsraum
- 17
- Durchtrittskanäle
- 19
- Durchtrittskanäle
- 21
- Ventilscheibe
- 23
- Ventilscheibe
- 25
- Zuganschlag
- 27
- Kolbenstangenführung
- 29
- Ventilträger
- 31
- Elastomerelement
- 33
- Ringnut
- 35
- Ventilelement
- 35A
- Ventilelement
- 35B
- Ventilelement
- 37
- Drosselstelle
- 37A
- Drosselstelle
- 37B
- Drosselstelle
- 39
- Innenwandung
- 41
- Rückstellfeder
- 41A
- Rückstellfeder
- 41B
- Rückstellfeder
- 43
- Mantelfläche
- 45
- Drosselquerschnitt
- 47
- Ventilsitzfläche
- 49
- Ventilsitzfläche
- 51
- Stützscheibe
- 53
- Stützscheibe
- 55
- Druckraum
- 57
- Abströmöffnung
- 59
- Abströmöffnung
- 61
- Ringnutgrundfläche
- 63
- Ringnutseitenfläche
- 65
- Ringnutseitenfläche
- 67
- Mantelfläche
- 69
- Mantelfläche
- 71
- Gleitfläche
- 73
- Gleitfläche
- 75
- erster Anschlag
- 77
- zweiter Anschlag
- 79
- Deckel
- 81
- Spannfeder
- 83
- Aktuator
- 85
- Konusfläche
