DE19923927C1 - Umschaltventil mit strömungsrichtungsabhängigem Querschnitt - Google Patents

Abstract

Umschaltventil, umfassend einen Ventilkörper, der zwei mit einem Fluid gefüllte Arbeitsräume trennt, wobei im Ventilkörper Durchtrittsöffnungen ausgeführt sind, die zumindest teilweise von einer Anzahl von Ventilscheiben abgedeckt werden, wobei der Durchtrittsquerschnitt der Durchtrittsöffnungen von einer Umschaltscheibe in Abhängigkeit der Durchflußrichtung gesteuert wird, die in Umfangsrichtung verlaufende Federabschnitte, mindestens eine Deckfläche und eine Spannfläche aufweist, die die Umschaltscheibe außerhalb der Deckflächen und der Federelemente am Umschaltventil vorspannt, wobei die mindestens eine Deckfläche auf mindestens eine Durchtrittsöffnung ausgerichtet ist, wobei die Umschaltscheibe mindestens eine Ausnehmung aufweist, wobei der umlaufende Abschnitt der Umschaltscheibe, der von dem Anfangs- und Endpunkt der Ausnehmung(en) begrenzt wird, die Federabschnitte begrenzt, wobei die Ausnehmung im Bereich der Deckflächen mäanderförmig ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil entsprechend dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1.

Die DE 40 25 115 A1 beschreibt ein Dämpfventil, umfassend einen Dämpfventilkörper, wobei ausgehend von einem Dämpfventilgrundkörper erhabene Dämpfventilkörperbe­ reiche ausgeformt sind, die Ventilauflageflächen bilden, mit Durchtrittskanälen, die von Ventilscheiben abgedeckt werden, wobei auf den Ventilauflageflächen mindestens eine ringförmige Ventilscheibe angeordnet ist, die mindestens einen Voröffnungsquerschnitt aufweist, der in Überdeckung mit einem Durchtrittskanal steht, wobei der Voröffnungs­ querschnitt von einer Umschaltscheibe abgedeckt wird, die bei Anströmung aus dem Durchtrittskanal in Achsrichtung des Ventilkörpers von der Ventilscheibe abheben kann. Diese prinzipiell gute Ausgestaltung eines richtungsabhängigen Voröffnungsquer­ schnitts ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß bei einer plötzlichen Anströmung der Umschaltscheibe eine derart rasche Abhubbewegung ausgeführt wird, die die Um­ schaltscheibe an der oberhalb angeordneten Ventilscheibe zur Anlage bringt. Damit stellt sich das Problem, wie einem Verkleben der Umschaltscheibe an der genannten Ventilscheibe begegnet wird, ohne daß eventuelle Federkräfte das Öffnungsverhalten der Umschaltscheibe zu stark beeinflussen. In der Ausführungsvariante nach der Fig. 1 derselben Schrift kann der Klebeeffekt zwar nicht auftreten, doch sind die Verfor­ mungskräfte, die notwendig sind um die Umschaltscheibe abheben zu lassen, deutlich meßbar.

Die US 5,261,448 beschreibt ein Umschaltventil, umfassend einen Ventilkörper, der zwei mit einem Fluid gefüllte Arbeitsräume trennt, wobei im Ventilkörper Durchtrittsöffnun­ gen ausgeführt sind, die zumindest teilweise von einer Anzahl von Ventilscheiben abge­ deckt werden, wobei der Durchtrittsquerschnitt der Durchtrittsöffnungen von einer Um­ schaltscheibe in Abhängigkeit der Durchflußrichtung gesteuert wird, die in Umfangsrich­ tung verlaufende Federabschnitte, mindestens eine Deckfläche und Spannflächen auf­ weist, die die Umschaltscheibe außerhalb der Deckflächen und der Federelemente am Umschaltventil vorspannt, wobei die mindestens eine Deckfläche auf mindestens eine Durchtrittsöffnung ausgerichtet ist. Der begrenzte Federabschnitt wird in Querrichtung verformt, so daß eine kleine Federrate erreicht wird, wenn man den Federabschnitt in Umfangsrichtung möglichst schmal ausführt, was aber der notwendigen Festigkeitsan­ forderung entgegensteht.

Aus der DE-OS 15 00 015 ist ein Ventil für Kolbenkompressoren bekannt, das eine auf einen Ventilkörper angeordnete Ventilscheibe aufweist. Die Ventilscheibe verfügt über mäanderförmige Ausstanzungen, die Ventilzungen begrenzen, die wiederum von dem Ventilkörper bei Anströmung aus nur einer Richtung abheben können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Umschaltventil mit einem richtungsab­ hängig wirksamen Drosselquerschnitt derart weiterzubilden, daß die Schaltbewegung der Ventilelemente, die den Drosselquerschnitt freigeben, mit möglichst geringen Kräf­ ten ablaufen kann und für die andere Druckrichtung ein sicheres Schließen gewährleis­ tet ist. Des weiteren soll ein sicheres Betriebsverhalten und eine möglichst große Dauer­ festigkeit erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Patentanspruch 1 gelöst.

Mit dieser Lösung sind zwei Vorteile verbunden. Zum einen werden nur drei Teilkreise für die Ausnehmungen benötigt. Damit steht ein größerer Querschnittsbereich zur Ver­ fügung für die innere und die äußere Spannfläche zur Verfügung. Des weiteren ergeben sich besonders lange Federabschnitte, die den zum Abheben der Deckflächen notwen­ digen Anströmdruck herabsetzen.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Unteranspruch sind die Ausnehmungen symmet­ risch zu mindestens einem Verbindungssteg zwischen der äußeren Spannfläche und der inneren Spannfläche ausgeführt sind. Dabei ist der Verbindungssteg diametral zu den Deckflächen ausgerichtet ist. Der Verbindungssteg bringt noch einen Festigkeitsvorteil mit sich da die beim Abheben der Deckfläche innerhalb der Umschaltscheibe auftreten­ den Spannungen besser aufgenommen werden können.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Ausnehmung im Bereich der Deckflächen mäanderförmig ausgeführt.

Durch die mäanderförmige Ausgestaltung der Ausnehmung kann die Deckfläche mini­ miert werden. Eine kleine Deckfläche führt zu geringeren Klebekräften am Ventil, so daß die Kraftstreuungen aufgrund von auftretenden Klebekräften verringert werden können.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden:

Es zeigt:

Fig. 1 Beispielhafte Ausgestaltung eines Schwingungsdämpfers

Fig. 2 Ventilkörper im Detail

Fig. 3 Umschaltscheibe als Einzelteil

Fig. 4 Drosselscheibe als Einzelteil

Fig. 5 Haltescheibe als Einzelteil

Fig. 6 Alternative Ausführung einer Umschaltscheibe

Fig. 7 weitere Umschaltscheibe als Einzelteil

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Kolbenzylinder-Aggregat 1 in der Ausführung eines Ein­ rohrschwingungsdämpfers. Grundsätzlich läßt sich die Erfindung auch bei anderen Kol­ benzylinder-Aggregaten anwenden, wie Gasfedern o. ä..

Der Einrohrschwingungdämpfer 1 besteht im wesentlichen aus einem Druckrohr 3, in­ dem ein Kolben 5 an einer Kolbenstange 7 axial beweglich angeordnet ist. An der Aus­ trittsseite der Kolbenstange 7 verschließt eine Kolbenstangenführung 9 einen mit Dämpfmittel gefüllten Arbeitsraum 11, der durch einen Trennkolben 13 von einem Gas­ raum 15 getrennt ist, der endseitig einem Boden 17 mit Auge 19 aufweist.

Bei einer Kolbenstangenbewegung wird Dämpfmedium durch Dämpfventile 21 im Kol­ ben 5 verdrängt. Ein Kolbenring 23, der eine Umfangsfläche 25 des Kolbens 5 abdeckt, verhindert ein seitliches Umströmen des Kolbens.

Die Fig. 2 zeigt den Kolben 5 des Schwingungsdämpfers 1 als Einzelteil mit einem erfin­ dungsgemäßen Umschaltventil 27, das in dieser Ausführungsform aus einer Drossel­ scheibe 29 in Verbindung mit einer Umschaltscheibe 31 besteht. In der Drosselscheibe ist mindestens ein Drosselquerschnitt 33 orientiert zu einer Durchtrittsöffnung 35 ausge­ führt, wobei der oder die Drosselquerschnitt(e) von einer Deckfläche 37 der Umschalt­ scheibe 31 abgedeckt werden. Grundsätzlich läßt sich die Erfindung auch auf ein Bo­ denventil eines Schwingungsdämpfers oder einen anderen Anwendungsfall übertragen.

Das Umschaltventil 27 ist Teil des Dämpfventils 21 im Kolben 5 des Schwingungsdämp­ fers, der einen Ventilkörper 39 aufweist, der über die Durchtrittsöffnungen 35a; 35b die beiden Arbeitsräume 11a und 11b verbindet. Die Durchtrittsöffnungen münden aus Ventilauflageflächen 41, auf denen die Drosselscheibe in ihrem äußeren Bereich auf­ liegt. Am radial inneren Bereich ist ein Auflagerring 43 in den Ventilkörper eingelegt, bzw. eingepreßt, dessen Auflagefläche mit der Ventilauflagefläche 41 exakt in einer Ebene liegt, so daß die Drosselscheibe über ihre gesamte Oberfläche plan ist. Die Zen­ trierung der Drosselscheibe erfolgt über den Innendurchmesser an einem Zapfen der Kolbenstange 7. Ggf wird der Auflagerring 43 mit den Ventilauflagefläche 41 in einem gemeinsamen Arbeitsgang auf die vorgesehene Höhe bearbeitet. Die Drosselscheibe kann sich elastisch verformen, wobei der Außenbereich, der auf den Ventilauflageflä­ chen aufliegt, abheben kann, hingegen der innere Bereich über einen Spannring 45 in Verbindung mit einer Anschlagscheibe 47 am Kolbenstangenzapfen fixiert ist.

Die auf der Drosselscheibe 29 aufliegende Umschaltscheibe verfügt radial innerhalb und außerhalb der Deckfläche 37 über innere und äußere Spannflächen 49; 51, die jeweils durch Ausnehmungen 53; 55 getrennt sind, wodurch die Deckfläche in Achsrichtung des Ventilkörpers von der Ventilauflagefläche abheben kann. Zur Zentrierung der Um­ schaltscheibe wird deren Innendurchmesser eingesetzt, der ebenfalls am Spannring an­ greift.

Damit die Abhubbewegung der Deckfläche der Umschaltscheibe begrenzt wird, ist auf den Spannflächen 49; 51 eine Haltescheibe 57 aufgelegt, die wiederum von einem Fe­ derelement 59, in diesem Fall eine Tellerfeder, vorgespannt ist. Zumindest im Bereich der Deckfläche 37 der Umschaltscheibe 31 verfügt die Haltescheibe 57 über eine Rin­ ne 61, die den nötigen Freiraum für die Abhubbewegung der Deckfläche bereitstellt, s. linke Schnitthälfte. Am Innendurchmesser der Haltescheibe sind in Richtung der An­ schlagscheibe 47 Führungssegmente 63 als Radialführung ausgeformt. In die andere Richtung sind Formschlußsegmente 65 ausgeführt, die die Umschaltscheibe und die Drosselscheibe durch- und in einen den Anschlußsegmenten angepaßtes Gegenprofil 67 den Ventilkörpers eingreifen.

Im Rinnengrund 69 der Rinne 61 sind Strömungsverbindungen 71 eingearbeitet, die die Rinne mit dem oberen Arbeitsraum 11a verbinden, wobei die Strömungsverbindungen außerhalb der Fläche des Federelementes 59 liegen.

Bei einer Anströmung des Umschaltventils 27 mit Dämpfmittel aus dem Arbeits­ raum 11b durch die Durchtrittsöffnungen 35a wird die Drosselscheibe auf dem Quer­ schnitt der Durchtrittsöffnungen druckbeaufschlagt. Geringe Druckkräfte können die Drosselscheibe gegen die Kraft des Federelementes 59 nicht von den Ventilauflageflä­ chen abheben lassen. In diesen Fällen wird nur die Deckfläche 37 der Umschaltscheibe, die auf dem Querschnitt der Voröffnungen 33 belastet wird, von der Drosselscheibe abgehoben, so daß Dämpfmittel in die Rinne 61 und weiter durch die Strömungsver­ bindungen 71 in den Arbeitsraum 11a strömen kann.

Treten größere Druckkräfte auf, so hebt die Drosselscheibe im Bereich der Auflageflä­ chen ab, wodurch das Dämpfventil 21 wirksam ist. Die Umschaltscheibe und die Halte­ scheibe werden ebenfalls angehoben. Bei umgekehrter Strömungsrichtung wird die Deckfläche durch den Druck in der Rinne 61 auf die Drosselscheibe gedrückt, so daß das Dämpfmedium nur durch die Durchtrittsöffnungen 35b in den Arbeitsraum 11b strömen kann.

In der Fig. 3 ist die Umschaltscheibe 31 als Einzelteil dargestellt. Die Umschaltscheibe verfügt über eine erste äußere Ausnehmung 53, die spiralförmig über einen Winkel von ca. 450° ausgeführt ist. Die spiralförmige Ausnehmung bildet zwischen ihrem Anfangs­ punkt 53a und ihrem Endpunkt 53b einen in Umfangsrichtung verlaufenden Federab­ schnitt 53c, der in derselben Planlage wie die anderen Flächenteile der Umschaltscheibe liegt. Je größer der Abstand des Anfangs- und Endpunktes in Umfangsrichtung, um so länger wird der Federabschnitt und damit um so kleiner die Federrate des Federab­ schnitts. Auch die radial weiter innen liegende Ausnehmung 55 ist spiralförmig und in ihrem Umfangswinkel in vergleichbarer oder gleicher Größe wie die äußere Ausneh­ mung 53. Zwischen einem Anfangspunkt 55a und einem Endpunkt 55b der inneren spiralförmigen Ausnehmung bildet sich wiederum ein in Umfangsrichtung verlaufender innerer Federabschnitt 55c. Stellt man sich die äußere und die innere Spannfläche 49 und 51, die jeweils außerhalb der spiralförmigen Ausnehmungen liegen bezogen auf die Deckfläche 37, als ortsfest vor, so kann die Deckfläche aus der Planlage abheben, wobei sich die Federabschnitte wie Blattfedern verformen. Durch die Federabschnitte ist stets eine, wenn auch geringe Vorspannung der Deckfläche zur Drosselscheibe gewährleistet, so daß die Deckfläche stets in Richtung der Drosselscheibe zurückbewegt wird und ein definiertes Schließverhalten vorliegt.

Die Anfangs- und Endpunkte der spiralförmigen Ausnehmungen 53; 55 sind in einer Hälfte der Umschaltscheibe zusammengefaßt, damit eine möglichst große Deckfläche 37 entstehen kann. Zum besseren Verständnis sind die Drosselquerschnitte 33 in der Deckfläche eingezeichnet.

Damit die Gefahr des Klebens der Umschaltscheibe 31 auf der Drosselscheibe minimiert ist, ist die spiralförmige Ausnehmung 53 im Bereich der Deckfläche 37 mäanderförmig ausgeführt. Die spiralförmige Ausnehmung 53 rahmt quasi die Drosselquerschnitte 33 der Drosselscheibe 29 ein. Man erhält eine möglichst kleine Deckfläche 37, so daß auch die möglicherweise auftretenden Klebekräfte klein sind.

Die Fig. 4 zeigt die Drosselscheibe als Einzelteil mit ihren beiden Drosselquerschnit­ ten 33. Damit die Drosselscheibe zu den Durchtrittsöffnungen im Ventilkörper 39 aus­ gerichtet ist, ist der Innendurchmesser profiliert ausgeführt, wobei eine Profilabwei­ chung 73 eingesetzt wird. Im übrigen ist die Umschaltscheibe identisch wie die Drossel­ scheibe profiliert. Die Profilierung ist nutartig ausgeführt, wobei die Drosselquerschnit­ te 33 in der Drosselscheibe 29 symmetrisch zu der Profilstelle mit der Profilabwei­ chung 73 ausgerichtet ist um keinesfalls eine vertauschte Einbaulage der Drosselquer­ schnitte zu den Durchtrittsöffnungen 35a; 35b im Ventilkörper aufkommen zulassen. In der Fig. 5 wird ergänzend zur Fig. 2 die Haltescheibe 57 gezeigt, wobei in dieser Dar­ stellung die Formschlußsegmente 65, die die Umschalt- und die Drosselscheibe durch­ greifen, deutlicher sichtbar sind. Die bereits genannte Profilabweichung 73 ist auch bei den Formschlußsegmenten vorhanden. Des weiteren wird erkennbar, daß die Strö­ mungsverbindungen in Umfangsrichtung ausgeführte Schlitze sind. Die Rinne 61 ist vollständig umlaufend geformt.

Damit bei der Montage das Einfädeln der Haltescheibe der Umschaltscheibe und der Drosselscheibe erleichtert wird, können diese Scheibe Kerben 75 oder ähnliche Markie­ rungen aufweisen, die die vorbestimmte Einbaulage erkennen lassen.

In der Fig. 6 soll das Gegenprofil 67 offenbart werden, das mit den Formschlußsegmen­ ten der Haltescheibe eine Formschlußverbindung eingeht, und die gesamte Scheibenan­ ordnung orientiert.

Bei relativ kleinen Durchtrittsöffnungen 35a; 35b kann man u. U. auf eine Drosselschei­ be verzichten, wenn die innerer oder äußere Ausnehmung der Umschaltscheibe im Be­ reich der Ventilauflagefläche liegt. Die jeweils andere Ausnehmung bildet dann mit ihrer sichelförmigen Überdeckung mit der Durchtrittsöffnung 35 den Drosselquerschnitt 33, wobei man darauf achten muß, daß die Umschaltscheibe nicht so elastisch ist, daß sie bei einer Anströmung aus Richtung des Arbeitsraums 11a vom Druck der Strömung in die Durchtrittsöffnung gedrückt wird.

Die Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Umschaltscheibe nach Fig. 3. Es werden wieder­ um zwei Ausnehmungen 53; 55 verwendet, die die äußere und die innere Spannflä­ che 49; 51 von der Deckfläche 37 trennen und Federabschnitte bilden. Ein konstruktiver Unterschied besteht darin, daß eine abschnittsweise in Umfangsrichtung verlaufende äußere Ausnehmung 53 einen halbgewendelten Längenabschnitt 54 aufweist, der ei­ nen Flächenbereich für eine c-förmig verlaufende Ausnehmung 55 begrenzt, wobei die äußere Ausnehmung konzentrisch zur inneren Ausnehmung einen ebenfalls c-förmige Ausgestaltung aufweist und ab dem halbgewendelten Abschnitt radial innerhalb der inneren Ausnehmung verläuft. Duch die c-förmige Ausgestaltung der Ausnehmun­ gen 53 und 55 mit den Endpunkten 53a; 53b; 55a; 55b entsteht ein Verbindungs­ steg 58, der diametral zu den Deckflächen 37 ausgerichtet ist. Insgesamt verlaufen die Ausnehmungen symmetrisch zu dem Verbindungssteg.

Die innere Ausnehmung 55 wurde entsprechend mäanderförmig wie in der Fig. 3 aus­ geführt. Im Hinblick auf optimal lange Federabschnitte reichen die Enden 53a; 53b der äußeren Ausnehmungen 53 bis nahe an die radial äußeren Randbereich der Deckflä­ chen 37 bzw. der entsprechend ausgestellten Ausnehmungen 55 herangeführt.

Wie man aus der beispielhaften Darstellung erkennt, sind die Ausnehmungen 53; 55 auf drei konzentrische Teilkreise angeordnet. Dadurch ergibt sich ein Flächenzuwachs für die verbleibende äußere Spannfläche 49, die deshalb eine höhere Festigkeit auf­ weist.

Claims (4)

1. Umschaltventil, umfassend einen Ventilkörper, der zwei mit einem Fluid gefüllte Arbeitsräume trennt, wobei im Ventilkörper Durchtrittsöffnungen ausgeführt sind, die zumindest teilweise von einer Anzahl von Ventilscheiben abgedeckt werden, wobei der Durchtrittsquerschnitt der Durchtrittsöffnungen von einer Umschaltschei­ be in Abhängigkeit der Durchflußrichtung gesteuert wird, die in Umfangsrichtung verlaufende Federabschnitte, mindestens eine Deckfläche und eine Spannflä­ che aufweist, die die Umschaltscheibe außerhalb der Deckflächen und der Federele­ mente am Umschaltventil vorspannt, wobei die mindestens eine Deckfläche auf mindestens eine Durchtrittsöffnung ausgerichtet ist, wobei die Umschaltscheibe mindestens eine Ausnehmung aufweist, wobei der umlaufende Abschnitt der Um­ schaltscheibe, der von dem Anfangs- und Endpunkt der Ausnehmung (en) begrenzt wird, die Federabschnitte begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausnehmungen (53; 55) ausgeführt sind, von denen eine Ausneh­ mung (53) konzentrisch zum Mittelpunkt der Umschaltscheibe und auf einem Län­ genabschnitt (56) zumindest halbgewendelt ausgeführt ist, wobei die Innere Aus­ nehmung (55) in den von dem halbgewendelten Längenabschnitt (56) der Ausneh­ mung (53) eingeschlossenen Flächenbereich ausgeführt ist, so daß auf einem Um­ fangsabschnitt mindestens drei konzentrische Ausnehmungen (53; 55) verlaufen, die den Federabschnitt (54) begrenzen.

2. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (53; 55) symmetrisch zu mindestens einem Verbindungs­ steg (58) zwischen der äußeren Spannfläche (49) und der inneren Spannfläche (51) ausgeführt sind.

3. Umschaltventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (58) diametral zu den Deckflächen (37) ausgerichtet ist.

4. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (53; 55) im Bereich der Deckflächen (37) mäanderförmig ausgeführt ist.