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Die Erfindung betrifft eine Dämpfventileinrichtung mit progressiver Dämpfkraftkennlinie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 10 2016 210 790 A1 beschreibt eine Dämpfventileinrichtung für einen Schwingungsdämpfer, die ein erstes Dämpfventil umfasst, das in einem ersten Betriebsbereich mit steigender Strömungsgeschwindigkeit eines Dämpfmediums in eine Durchlassbetriebsstellung übergeht. Das erste Dämpfventil wird beispielsweise von einem Kolbenventil oder einem Bodenventil des Schwingungsdämpfers gebildet. Ein zweiter Betriebsbereich mit einer progressiven Dämpfkraftcharakteristik des Schwingungsdämpfers wird von einer Drosselstelle in Verbindung mit einem Ventilkörper beeinflusst, der unabhängig von der Hublage einer Kolbenstange des Schwingungsdämpfers in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Drosselstellung ausgehend von einer Durchlassstellung in eine Drosselstellung überführbar ist, wobei sich Ventilkörper mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums in Schließrichtung bewegt. Damit wird eine Zusatzdämpfkraft erzeugt, die den Einsatz eines konventionellen Zug- oder Druckanschlags erübrigt, der nur in einer Endlage der Kolbenstange wirksam ist.
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Die Drosselstelle und das Dämpfventil sind hydraulisch in Reihe angeordnet, wobei der Ventilkörper als ein im Durchmesser veränderbares Ringelement ausgeführt ist, das eine radiale Schließbewegung in Richtung einer Strömungsleitfläche ausführt, bei der ein definierter Mindestdurchlassquerschnitt eingehalten wird.
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In der
DE 10 2019 212 966 A1 wird vorgeschlagen, dass das im Durchmesser veränderbare Ringelement zusätzlich von einer Druckkraft innerhalb eines von einer Ringnut gebildetem Druckraum unterstützt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Dämpfkraftverhalten und insbesondere das Reaktionsverhalten auf sich ändernde Anströmverhältnisse der und das Dämpfventileinrichtung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Ringnut als ein Druckraum mit zwei Durchströmungsrichtungen ausgeführt ist, der mindestes eine Zuströmöffnung und mindestens eine Abströmöffnung aufweist, wobei das Ventilelement in Richtung einer die Drosselstelle bildende Strömungsleitfläche eine Mantelfläche aufweist, die ein ringförmiges radial vorstehendes Drosselprofil aufweist.
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Die Begrenzung der räumlichen Ausgestaltung des Flächenbereichs an dem Ventilelement für die Drosselstelle verbessert signifikant das Ansprechverhalten im Vergleich zu einer Mantelfläche, die über ihre axiale Höhe einen konstanten Durchmesser aufweist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Drosselprofil axial zwischen einem Hochdruckflächenbereich der Mantelfläche und einer Niederdruckflächenbereich der Mantelfläche ausgeführt, wobei über das Verhältnis der Hochdruckflächenbereich/Niederdruckflächenbereich das Schließverhalten des Ventilelements einstellbar ist. Durch einen einfachen Austausch des Ventilelements kann bei einer ansonsten standardisierten Dämpfventileinrichtung eine deutliche Kennlinienvarianz erreicht werden.
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Eine besonders einfache Bauweise, insbesondere die die Bauteilanzahl reduziert, sieht vor, dass das ringförmige Drosselprofil von einem zum Ventilelement separaten Ringelement gebildet wird. Bei der Montage wird das Ringelement axial zum Ventilelement positioniert. Dabei kann das Ringelement z. B. durch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Ventilelement verbunden werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Ringelement eine radiale Vorspannung aufweist, über die eine kraftschlüssige Verbindung erzeugt wird.
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Insbesondere bei einer Dämpfventileinrichtung, die zwei Durchströmungsrichtungen aufweist, ist es vorteilhaft, wenn das Ringelement zum Ventilelement axial beweglich gelagert ist.
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Im Hinblick auf eine definierte Ausgangsposition, die das Ringelement zum Ventilelement einnehmen soll, ist es vorteilhaft, wenn das Ringelement von mindestens einer Rückstellfeder in eine definierte axiale Position zu dem Ventilelement vorgespannt wird.
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Eine besonders einfache Bauform zeichnet sich dadurch aus, dass das Ventilelement die Rückstellfeder trägt. Die Komponenten Ventilelement, Ringelement und Rückstellfeder können unabhängig von den weiteren Bauteilen der Dämpfventileinrichtung vormontiert werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch ist funktional zwischen dem Ringelement und dem Ventilelement mindestens ein Anschlag ausgeführt, der die axiale Beweglichkeit des Ringelements beschränkt.
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Je nach Baugröße der Komponenten kann der Anschlag von dem Ventilelement oder dem Ventilträger gebildet werden.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass das axialbewegliche Ringelement mit dem Ventilträger ein Rückschlagventil zur richtungsabhängigen Steuerung mindestens einer der Anströmöffnungen des Druckraums bildet.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:
- 1 Ausschnitt aus einem Schwingungsdämpfer im Bereich der Dämpfventileinrichtung
- 2 Detaildarstellung der Dämpfventileinrichtung nach 1
- 3 u. 4 Alternativvarianten zur Dämpfventileinrichtung nach 1
- 5 Dämpfkraftkennlinie der Dämpfventileinrichtungen nach den 1 bis 4
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Die 1 zeigt eine 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.
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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 ist nur beispielhaft anzusehen. Eine Austrittsseite der Durchtrittskanäle 17; 19 ist mit mindestens einer Ventilscheibe 21; 23 zumindest teilweise abgedeckt.
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Ein Ventilträger 25 der Dämpfventileinrichtung 1 ist beispielhaft direkt an der Kolbenstange 9 fixiert. Der Ventilträger 25 weist eine umlaufende Ringnut 27 auf, in der ein im Durchmesser veränderbares Ventilelement 29 geführt ist. Dieses Ventilelement 29 ist radial beweglich oder radial elastisch und bildet einen Ventilkörper für eine Drosselstelle 31 als Teil der Dämpfventileinrichtung 1. Das Ventilelement 29 bildet mit einer Innenwandung des Zylinders 11 die Drosselstelle 31, wobei die Innenwandung eine Strömungsleitfläche 35 darstellt.
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Das Ventilelement 29 ist mit einer Rückstellfeder 33 bestückt, wie z- B. in der 2 vergrößert dargestellt ist. Zwischen der Innenwandung 35 und einer äußeren Mantelfläche 37 des Ventilelements liegt ein variabler Drosselquerschnitt 39 vor, der eine zusätzliche Dämpfkraft erzeugt.
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Bei einer Kolbenstangengeschwindigkeit in einem ersten Betriebsbereich, z. B. kleiner 1m/s, ist die Drosselstelle 31 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 41; 43 ab. Die Abhubbewegung wird jeweils von einer Stützscheibe 45; 47 begrenzt.
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In einem zweiten Betriebsbereich mit einer Kolbenstangengeschwindigkeit, die größer ist als die Grenzgeschwindigkeit des ersten Betriebsbereichs, also größer als die beispielhaft angegebenen 1m/s, geht das Ventilelement 29 in eine Drosselstellung über und führt dabei eine Schließbewegung in Richtung der Strömungsleitfläche 35 aus. Bedingt durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums in der als Ringspalt geformten Drosselstelle 31 bildet sich ein Unterdruck, der zu einer radialen Aufweitung des Ventilelements 29 führt. Damit jedoch keinesfalls eine Blockade der Drosselstelle auftreten kann, wird ein definierter Mindestdurchlassquerschnitt z.B. von der Rückstellfeder 33 eingehalten. Alternativ kann das Ventilelement 29 eine äußere Profilierung aufweisen, die an der Strömungsleitfläche anliegen kann oder aber der Ventilträger 25 verfügt über einen radialen Anschlag zur Begrenzung der Aufweitbewegung des Ventilelements 29.
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Die 2 zeigt eine Vergrößerung der Dämpfventileinrichtung 1 nach 1 mit einer abweichenden Befestigungstechnik an der Kolbenstange 9. In der Vergrößerung ist erkennbar, dass die Ringnut 27 mit einer inneren Mantelfläche 49 des Ventilelements 29, Ringnutseitenflächen 51; 53 und einer Ringnutgrundfläche 55 einen Druckraum 57 bildet, der über eine Zuströmöffnung 59 und eine Abströmöffnung 61 mit dem Arbeitsraum 13 des Schwingungsdämpfers 3 verbunden ist. Der Druckraum 57 bewirkt eine nach radial außen gerichtete, das Ventilelement 29 aufweitende Kraftkomponente, die die in der Drosselstelle 31 herrschende Unterdrucksituation unterstützt.
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Zur Unterstützung der Unterdrucksituation weist das Ventilelement 29 in Richtung der die Drosselstelle 31 bildende Strömungsleitfläche 35 auf der Mantelfläche 37, ein ringförmiges radial vorstehendes Drosselprofil 63 auf. In der 2 ist das radial vorstehende Drosselprofil 63 als ein Vierkantprofil ausgeführt.
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Das Drosselprofil 63 ist axial zwischen einem Hochdruckflächenbereich 65 der Mantelfläche 37 und einem Niederdruckflächenbereich 67 der Mantelfläche 37 ausgeführt. Der Hochdruckflächenbereich 65 befindet sich in Strömungsrichtung vor dem Drosselprofil 63 und der Niederdruckflächenbereich 67 in Strömungsrichtung hinter dem Drosselprofil 63. Bei einer wechselseitigen Anströmung wechseln auch die Funktionsbereiche, d. h. der Hochdruckflächenbereich für eine Strömungsrichtung wird zum Niederdruckflächenbereich bei entgegengesetzter Strömungsrichtung.
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Grundsätzlich kann man das Ventilelement 29 hinsichtlich der Anordnung des Drosselprofils 63 auf der äußeren Mantelfläche 37 symmetrisch ausführen, um z. B. eine beliebige Einbaurichtung des Ventilelements 29 innerhalb der Ringnut 27 erreichen zu können. Man kann die axiale Ausrichtung des Drosselprofils 63 zielgerichtet vornehmen, um über das Verhältnis der Hochdruckflächenbereich/Niederdruckflächenbereich das Schließverhalten des Ventilelements 29 einzustellen.
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Bei einer definierten Strömungsgeschwindigkeit stellt sich in der Drosselstelle 31 ein Unterdruck ein, der zu einer Aufweitbewegung des Ventilelements 29 führt. Dabei spielt für die Aufweitbewegung neben dem Druckniveau auch die axiale Erstreckung des Drosselprofils 63 eine Rolle. Die axiale Lage des Drosselprofils 63 auf der äußeren Mantelfläche 37 verändert aber nicht die Größe der Aufweitkraft ausgehend von dem Unterdruckniveau.
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Der Hochdruckflächenbereich 65 der Mantelfläche 37 erstreckt sich von einer Deckseite 69 des Ventilelements 29 bis zu einer der Strömungsrichtung entgegengerichteten Deckseite 71 des Drosselprofils 63. Das Drosselprofil 63 kann einstückig mit dem Ventilelement 27 ausgeführt sein, oder wie in 2 dargestellt, von einem zum Ventilelement 29 separaten Ringelement 73 gebildet werden. Der Niederdruckflächenbereich 67 setzt am Übergang des Drosselprofils 63 zur äußeren Mantelfläche 37 des Ventilelements 29 an und erstreckt sich bis zu einer zweiten Deckseite 75 des Ventilelements 29.
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Auf das Ventilelement 29 stellt sich eine resultierende Druckkraft ein, die sich aus dem Druck innerhalb des Druckraums 57 zuzüglich dem Unterdruckniveau innerhalb der Drosselstelle 31 abzüglich dem Hochdruck auf den Hochdruckflächenbereich 65 und abzüglich dem Niederdruck auf den Niederdruckflächenbereich 67 ergibt. Je nach axialer Lage des Drosselquerschnitts 63 auf der äußeren Mantelfläche 37 verändern sich die relativen Anteile des Hochdruckflächenbereichs 65 und des Niederdruckflächenbereichs 67. Folglich ändert sich damit auch die Aufweitkraft relativ zum Druckniveau insgesamt. Darüber kann der Einsatzpunkt der Dämpfventileinrichtung 1 gewählt werden.
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Bei einem einstückigen Ventilelement 29 mit Drosselprofil 63 besteht immer ein konstantes Verhältnis von Hochdruckflächenbereich/Niederdruckflächenbereich. Eine Ausführung des Ventilelements mit einem separaten Ringelement 73 für das Drosselprofil 63 ermöglicht die individuelle Einstellung der Dämpfventileinrichtung 1 bei der Montage des Ringelements 73 auf dem Ventilelement 29.
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In der Ausführung der Dämpfventileinrichtung 1 nach 3 ist das Ringelement 73 zum Ventilelement 29 axial beweglich gelagert. Damit verändert sich in Abhängigkeit des Druckniveaus an der Deckseite 71 des Ringelements 73 auch die Größe des Hochdruckflächenbereichs 65. Grundsätzlich könnte das Ringelement 73 auf der Mantelfläche 37 des Ventilelements 29 vollständig schwimmend gelagert sein. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ringelement 73 zusätzlich von mindestens einer Rückstellfeder 77; 79 in eine definierte axiale Position zu dem Ventilelement 29 vorgespannt und funktional ist zwischen dem Ringelement 73 und dem Ventilelement 29 mindestens ein Anschlag 81; 83 ausgeführt, der die axiale Beweglichkeit des Ringelements 73 beschränkt. In diesem Ausführungsbeispiel trägt das Ventilelement 29 die Rückstellfedern 77; 79 und bildet die Anschläge 81; 83. Die Anschläge 81; 83 begrenzen damit die Variabilität des Flächenverhältnisses Hochdruckflächenbereich/N iederdruckflächenbereich.
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Über die Rückstellfedern 77; 79 kann zusätzlich die Reaktionszeit des Ringelements 73 auf eine Druckänderung eingestellt werden. Darüber kann man insgesamt eine Frequenzabhängigkeit der Dämpfventileinrichtung 1 einstellen. Große Druckspitzen würden bei einer geringen Federkraft zu einer schnellen Verschiebebewegung des Ringelements 73 führen, das wiederum eine Reduktion der möglichen Aufweitkraft bedeuten würde, da ein großer Hochdruckflächenbereich tendenziell eine kleinere Aufweitkraft nach sich zieht.
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In der Ausführung der Dämpfventileinrichtung nach der 4 mit einem axial beweglichen Ringelement 73 auf dem Ventilelement 29 wird der Anschlag von dem Ventilträger 25 gebildet wird. Die Ringnutseitenflächen 51; 53 des Ventilträgers 25 übernehmen die Anschlagfunktion. Eine weitere Besonderheit des Ventilelements 25 besteht darin, dass das Ventilelement 25 mit seinen Deckseiten 69; 75 die Anschlussöffnungen 59; 61 zum Druckraum 57 bildet. In den Deckseiten 71 des axial beweglichen Ringelements 73 sind radiale Kanäle 85; 87 ausgeführt, die einen kleineren Querschnitt aufweisen, als die Anschlussöffnungen 59; 61 in dem Ventilelement 29.
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Damit bildet das Ringelement 73 mit dem Ventilträger 25, insbesondere mit den Ringnutseitenflächen 51; 53 ein Rückschlagventil 89; 91 zur richtungsabhängigen Steuerung mindestens einer der Anströmöffnungen 59; 61 des Druckraums 57. Wenn das Dämpfmedium über die Anschlussöffnung 59 an der Deckseite 53 in den Druckraum 57 einströmt, dann bewegt sich das Ringelement 73 zur gegenüberliegenden Ringnutseitenfläche 51. Der Querschnitt des radialen Kanals 85 bestimmt dann einen Austrittsquerschnitt für das Dämpfmedium in Richtung des Niederdruckniveaus. Grundsätzlich ist es für den Druckaufbau im Druckraum 57 vorteilhaft, wenn der Zuströmquerschnitt in den Druckraum 57 größer ist als der Abströmquerschnitt. Diese Regel wird mit der Dimensionierung des radialen Kanals 85 im Verhältnis zur Anschlussöffnung eingehalten.
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Beide Deckseiten 71 des Ringelements 73 sind mit radialen Kanälen 85; 87 ausgeführt. Wenn Randbedingungen es erfordern, dann kann man eine Anschlussöffnung durch eine der Ringnutseitenflächen und eine Anschlussöffnung im Ventilelement ausführen. Dann sollte die Anschlussöffnung in der Ringnutseitenwand jedoch kleiner sein als die Anschlussöffnung im Ventilelement 29 und der radiale Kanal, der mit der einzigen Anschlussöffnung im Ventilelement 29 zusammenwirkt, sollte wiederum kleiner sein als die Anschlussöffnung in der Ringnutseitenwand. Damit hätte man dann ein einfaches Rückschlagventil 89, dass z. B. von der Ringnutseitenwand 51, dem radialen Kanal 85 und der Anschlussöffnung 61 gebildet wird. In der vorliegenden 4 bildet das Ringelement 73 sogar ein Wechselventil mit den Anschlussöffnungen 59; 61 im Ventilelement.
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Die 5 zeigt den Einfluss des Verhältnisses von Hochdruckflächen/Niederdruckflächenbereich bei einer Dämpfventileinrichtung 1 nach den 1 bis 4. Eine Basisdämpfkraftkennlinie FD5 steht für das Dämpfkraftverhalten des Dämpfventils 5. Eine Dämpfkraftkennlinie FD1 + FD5 symbolisiert die Kombination aus Dämpfventileinrichtung 1 und Dämpfventil 5. Eine erste Dämpfkraftkennlinie Fv1 steht für ein kleines Verhältnis von Hochdruckflächenbereich/Niederdruckflächenbereich. Schon bei einer relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Drosselstelle 31 bzw. einer geringen Hubgeschwindigkeitkeit des Schwingungsdämpfers 3 wird die Dämpfventileinrichtung 1 wirksam. Bei einem großen Verhältnis von Hochdruckflächenbereich/Niederdruckflächenbereich verschiebt sich der Auslösepunkt entsprechend der Dämpfkraftkennlinie FV2.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- Ventilträger
- 27
- Ringnut
- 29
- Ventilelement
- 31
- Drosselstelle
- 33
- Rückstellfeder
- 35
- Strömungsleitfläche
- 37
- äußere Mantelfläche des Ventilelements
- 39
- Drosselquerschnitt
- 41
- Ventilsitzflächen
- 43
- Ventilsitzflächen
- 45
- Stützscheibe
- 47
- Stützscheibe
- 49
- innere Mantelfläche des Ventilelements
- 51
- Ringnutseitenfläche
- 53
- Ringnutseitenfläche
- 55
- Ringnutgrundfläche
- 57
- Druckraum
- 59
- Zuströmöffnung
- 61
- Abströmöffnung
- 63
- Drosselprofil
- 65
- Hochdruckflächenbereich
- 67
- Niederdruckflächenbereich
- 69
- Deckseite
- 71
- Deckseite
- 73
- Ringelement
- 75
- zweite Deckseite des Ventilelements
- 77
- Rückstellfeder
- 79
- Rückstellfeder
- 81
- Anschlag
- 83
- Anschlag
- 85
- radialer Kanal
- 87
- radialer Kanal
- 89
- Rückschlagventil
- 91
- Rückschlagventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016210790 A1 [0002]
- DE 102019212966 A1 [0004]